Beztransformatorowy obwód sterownika led dla niezawodnych, niedrogich projektów żarówek led

Mówi się, że żarówki LED są o 80% bardziej wydajne niż inne konwencjonalne opcje oświetlenia, takie jak żarówki fluorescencyjne i żarowe. Szybka adaptacja żarówek LED jest już zauważalna wokół nas, a wartość światowego rynku żarówek LED osiągnęła w 2018 roku około 5,4 miliarda USD. Wyzwaniem przy projektowaniu tych żarówek LED jest to, że światło LED, jak wiemy, działa na napięcie stałe i sieć zasilanie jest prądem zmiennym, dlatego musimy zaprojektować obwód sterownika LED, który mógłby przekształcić napięcie sieciowe AC na odpowiedni poziom napięcia stałego wymaganego dla żarówki LED. W tym artykule zaprojektujemy taki praktyczny, tani obwód sterownika LED wykorzystujący układ przełączający LNK302 do zasilania czterech diod LED (szeregowo), które mogą zapewnić 200 lumenów przy 13,6 V i poborze około 100-150 mA.

Ostrzeżenie: Zanim przejdziemy dalej, bardzo ważne jest, aby upewnić się, że pracujesz z najwyższą ostrożnością przy zasilaniu sieciowym. Przedstawiony tutaj obwód i szczegóły zostały przetestowane i obsługiwane przez ekspertów. Wszelkie wpadki mogą prowadzić do poważnych szkód, a także mogą być śmiertelne. Pracuj na własne ryzyko. Zostałeś ostrzeżony.

Beztransformatorowy obwód zasilania

Bardzo prymitywny obwód sterownika LED można zbudować za pomocą metody Capacitor Dropper, tak jak zrobiliśmy to w naszym poprzednim projekcie zasilania beztransformatorowego. Chociaż obwody te są nadal używane w niektórych bardzo tanich produktach elektronicznych, mają one wiele wad, które omówimy później. Dlatego w tym samouczku nie będziemy używać metody Capacitor Dropper, zamiast tego zbudujemy niezawodny obwód sterownika LED za pomocą przełączającego układu scalonego.

Wada beztransfromerowego obwodu zasilania kondensatora

Ten typ beztransformatorowego obwodu zasilania jest tańszy niż standardowy zasilacz impulsowy ze względu na małą liczbę elementów i brak elementów magnetycznych (transformator). Wykorzystuje obwód kondensatora, który wykorzystuje reaktancję kondensatora do obniżenia napięcia wejściowego.

Chociaż ten rodzaj konstrukcji beztransformatorowych okazuje się bardzo przydatny w niektórych przypadkach, w których koszt produkcji określonego produktu musi być niższy, konstrukcja nie zapewnia izolacji galwanicznej od sieci prądu przemiennego i dlatego powinna być stosowana tylko w produktach, które nie mają bezpośredniego kontaktu. z ludźmi. Na przykład może być stosowany w lampach LED o dużej mocy, w których obudowa jest wykonana z twardego plastiku, a po zainstalowaniu żadna część obwodu nie jest narażona na interakcję użytkownika. Problem z tego typu obwodami polega na tym, że w przypadku awarii zasilacza może on odzwierciedlać wysokie napięcie wejściowe AC na wyjściu, co może stać się śmiertelną pułapką.

Inną wadą jest to, że obwody te są ograniczone do niskiego prądu znamionowego. Dzieje się tak, ponieważ prąd wyjściowy zależy od wartości zastosowanego kondensatora, a dla wyższego prądu znamionowego należy zastosować bardzo duży kondensator. Jest to problem, ponieważ duże kondensatory również zwiększają przestrzeń na płycie i zwiększają koszty produkcji. Ponadto obwód nie ma obwodu zabezpieczającego, takiego jak zabezpieczenie przed zwarciem wyjścia, zabezpieczenie nadprądowe, zabezpieczenie termiczne itp. Jeśli trzeba je dodać, zwiększa to również koszt i złożoność. Nawet jeśli wszystko jest zrobione dobrze, nie są one wiarygodne.

Tak więc pytanie brzmi, czy istnieje rozwiązanie, które może być tańsze, wydajne, proste i mniejsze, wraz ze wszystkimi obwodami zabezpieczającymi, aby utworzyć nieizolowany obwód sterownika LED dużej mocy AC do DC? Odpowiedź brzmi: tak i dokładnie to zamierzamy zbudować w tym samouczku.

Wybór odpowiedniej diody LED do żarówki LED

Pierwszym krokiem w projektowaniu obwodu sterownika żarówek LED jest podjęcie decyzji o obciążeniu, czyli diodzie LED, którą będziemy używać w naszych żarówkach. Te, których używamy w tym projekcie, są pokazane poniżej.

Diody w powyższym pasku to 5730 pakietów 0,5 watowych zimnych białych diod LED o strumieniu świetlnym 57lm. Napięcie przewodzenia jest 3.2V minimum do maksimum 3.6V z przodu prądu 120 do 150 mA. Dlatego, aby wytworzyć 200 lumenów światła, można zastosować szeregowo 4 diody LED. Wymagane napięcie tego paska wyniesie 3,4 x 4 = 13,6 V, a prąd 100-120 mA będzie przepływał przez każdą diodę LED.

Oto schemat szeregowych diod LED -

LNK304 - układ scalony sterownika LED

Sterownik IC wybrany dla tej aplikacji to LNK304. Może z powodzeniem zapewnić wymagane obciążenie dla tej aplikacji wraz z automatycznym restartem, zwarciem i ochroną termiczną. Funkcje można zobaczyć na poniższym obrazku -

Wybór innych komponentów

Wybór innych komponentów zależy od wybranego układu scalonego sterownika. W naszym przypadku arkusz danych, projekt referencyjny wykorzystuje prostownik półfalowy z dwiema standardowymi diodami odzyskiwania. Ale w tej aplikacji użyliśmy mostka diodowego do prostowania pełnookresowego. Może to zwiększyć koszt produkcji, ale ostatecznie kompromisy projektowe mają również znaczenie dla prawidłowego dostarczania mocy w całym obciążeniu. Schemat bez wartości można zobaczyć na poniższym obrazku, teraz omówmy, jak wybrać wartości

Tak więc do tej aplikacji wybrano mostek diodowy BR1 DB107. Jednak do tego zastosowania można również wybrać mostek diodowy 500 mA. Za mostkiem diodowym stosuje się filtr pi, w którym wymagane są dwa kondensatory elektrolityczne wraz z cewką. To naprawi DC, a także zmniejszy EMI. Wartości kondensatorów wybrane dla tego zastosowania to kondensatory elektrolityczne 10uF 400V. Wartości muszą być wyższe niż 2,2 uF 400 V. W celu optymalizacji kosztów najlepszym wyborem może być od 4,7 uF do 6,8 uF.

W przypadku cewki zaleca się więcej niż 560uH przy 1,5 A prądu znamionowego. Dlatego C1 i C2 są wybrane jako 10uF 400V i L1 jako 680uH i mostek diodowy 1,5A DB107 dla DB1.

Wyprostowany DC jest podawany do sterownika IC LNK304. Kołek obejściowy należy połączyć ze źródłem za pomocą kondensatora 0,1 uF 50 V. Dlatego C3 to kondensator ceramiczny 0,1 uF 50 V. D1 musi być ultraszybką diodą z odwrotnym czasem powrotu 75 ns. Jest wybrany jako UF4007.

FB jest pinem sprzężenia zwrotnego, a rezystor R1 i R2 służą do określania napięcia wyjściowego. Napięcie odniesienia na pinie FB wynosi 1,635 V, układ scalony przełącza napięcie wyjściowe, aż uzyska to napięcie odniesienia na swoim pinie sprzężenia zwrotnego. Dlatego za pomocą prostego kalkulatora dzielnika napięcia można wybrać wartość rezystorów. Tak więc, aby uzyskać 13,6 V na wyjściu, wartość rezystora jest wybierana na podstawie poniższego wzoru

Vout = (napięcie źródła x R2) / (R1 + R2)

W naszym przypadku Vout wynosi 1,635 V, napięcie źródła wynosi 13,6 V. Wybraliśmy wartość R2 na 2,05 tys. Więc R1 to 15k. Alternatywnie możesz użyć tego wzoru do obliczenia napięcia źródła. Kondensator C4 jest wybrany jako 10uF 50V. D2 to standardowa dioda prostownicza 1N4007. L2 jest taki sam jak L1, ale prąd może być mniejszy. L2 to również 680uH z oceną 1,5 A.

Kondensator filtra wyjściowego C5 jest wybrany jako 100 uF 25V. R3 to minimalne obciążenie używane do celów regulacyjnych. W przypadku regulacji obciążenia zerowego wybrano wartość 2,4k. Zaktualizowany schemat wraz ze wszystkimi wartościami pokazano poniżej.

Działanie beztransformatorowego obwodu sterownika LED

Cały obwód pracuje w trybie MDCM (głównie tryb przewodzenia nieciągłego) Topologia przełączania cewki indukcyjnej. Konwersja prądu przemiennego na prąd stały jest wykonywana przez mostek diodowy i filtr pi. Po uzyskaniu wyprostowanego prądu stałego etap przetwarzania mocy jest wykonywany przez LNK304 i D1, L2 i C5. Spadek napięcia na D1 i D2 jest prawie taki sam, kondensator C3 sprawdza napięcie wyjściowe iw zależności od napięcia na kondensatorze C3 jest wykrywany przez LNK304 za pomocą dzielnika napięcia i regulującego wyjście przełączające na pinach źródła.

Budowa obwodu sterownika LED

Wszystkie elementy potrzebne do budowy obwodu, z wyjątkiem cewek. Dlatego musimy nawinąć własny cewkę za pomocą emaliowanego drutu miedzianego. Teraz istnieje matematyczne podejście do obliczania rodzaju rdzenia, grubości drutu, liczby zwojów itp. Ale dla uproszczenia wykonamy tylko kilka zwojów dostępną szpulą i drutem miedzianym i użyjemy miernika LCR, aby sprawdzić, czy osiągnęliśmy wymagana wartość. Sine nasz projekt nie jest zbyt wrażliwy na wartość cewki indukcyjnej, a prąd znamionowy jest niski, ten prymitywny sposób zadziała dobrze. Jeśli nie masz miernika LCR, możesz również użyć oscyloskopu do pomiaru wartości cewki indukcyjnej metodą częstotliwości rezonansowej.

Powyższy obraz pokazuje, że cewki indukcyjne są sprawdzone, a wartość przekracza 800uH. Jest używany dla L1 i L2. Prosta płyta platerowana miedzią jest również wykonana dla diod LED. Obwód jest zbudowany w płytce stykowej.

Testowanie obwodu sterownika LED

Obwód jest najpierw testowany za pomocą VARIAC (Variable Transformer), a następnie sprawdzany w uniwersalnym napięciu wejściowym, czyli napięciu 110 V / 220 V AC. Multimetr po lewej jest podłączony do wejścia prądu przemiennego, a inny multimetr po prawej stronie jest podłączony do jednej diody LED, aby sprawdzić wyjściowe napięcie DC.

Odczyt jest wykonywany przy trzech różnych napięciach wejściowych. Pierwsza z lewej strony pokazuje napięcie wejściowe 85VAC, a na pojedynczej diodzie pokazuje 3,51V, podczas gdy napięcie diody na innym napięciu wejściowym nieznacznie się zmienia. Szczegółowe wideo robocze można znaleźć poniżej.