Beztransformátorový LED budicí obvod pro spolehlivé nízkonákladové návrhy žárovek

LED žárovky jsou považovány za o 80% účinnější než jiné běžné možnosti osvětlení, jako jsou zářivky a žárovky. Rychlé přizpůsobení LED žárovek je již kolem nás patrné a celosvětová tržní hodnota LED žárovek dosáhla v roce 2018 zhruba 5,4 miliardy USD. Výzvou při navrhování těchto LED žárovek je to, že LED světlo, jak víme, funguje na stejnosměrné napětí a síť napájecí zdroj je střídavý proud, a proto musíme navrhnout obvod ovladače LED, který by mohl převést střídavé síťové napětí na vhodnou úroveň stejnosměrného napětí požadovaného pro LED žárovku. V tomto článku navrhneme takový praktický levný obvod ovladače LED využívající přepínací integrovaný obvod LNK302 k napájení čtyř LED (v sérii), které mohou poskytovat 200 lumenů pracujících při 13,6 V a spotřebovávajících přibližně 100 - 150 mA.

Varování: Než se posuneme dále, je velmi důležité se ujistit, že pracujete s extrémní opatrností kolem střídavého napájení. Zde poskytnutý obvod a podrobnosti byly testovány a zpracovány odborníky. Jakékoli nehody mohou vést k vážným škodám a mohou být také smrtelné. Pracujte na vlastní riziko. Byl jsi varován.

Obvod napájecího zdroje bez transformátoru

Velmi surový obvod ovladače LED lze sestavit pomocí metody Capacitor Dropper, stejně jako v našem předchozím projektu napájení bez transformátorů. I když se tyto obvody stále používají v některých velmi levných elektronických výrobcích, trpí velkou nevýhodou, o které budeme diskutovat později. Proto v tomto tutoriálu nebudeme používat metodu Capacitor Dropper, místo toho vybudovat spolehlivý obvod ovladače LED pomocí přepínacího IC.

Nevýhoda napájecího obvodu bez kondenzátoru bez kondenzátoru

Tento typ napájecího obvodu bez transformátoru je levnější než standardní spínaný napájecí zdroj kvůli nízkému počtu komponent a absenci magnetických prvků (transformátor). Využívá obvod kapátkového kondenzátoru, který využívá reaktanci kondenzátoru ke snížení vstupního napětí.

Ačkoli se tento typ provedení bez transformátorů osvědčil v určitých případech, kdy musí být výrobní náklady konkrétního produktu nižší, konstrukce neposkytuje galvanickou izolaci ze sítě střídavého proudu, a proto by se měl používat pouze ve výrobcích, které nepřijdou do přímého kontaktu s lidmi. Například jej lze použít u vysoce výkonných LED světel, kde je kryt vyroben z tvrdého plastu a po instalaci není vystavena žádná část obvodu pro interakci uživatele. Problém těchto typů obvodů spočívá v tom, že pokud napájecí jednotka selže, může odrážet vysoké vstupní střídavé napětí na výstupu a může se stát pastí smrti.

Další nevýhodou je, že tyto obvody jsou omezeny na nízký proud. Je to proto, že výstupní proud závisí na hodnotě použitého kondenzátoru, pro vyšší jmenovitý proud je třeba použít velmi velký kondenzátor. To je problém, protože objemné kondenzátory také zvětšují prostor na desce a zvyšují výrobní náklady. Obvod také nemá žádný ochranný obvod, jako je ochrana proti zkratu na výstupu, nadproudová ochrana, tepelná ochrana atd. Pokud je třeba je přidat, zvyšuje to také náklady a složitost. I když jsou všechny provedeny dobře, nejsou spolehlivé.

Otázkou tedy je, existuje nějaké řešení, které může být levnější, efektivnější, jednodušší a menší, spolu se všemi ochrannými obvody, aby se vytvořil neizolovaný vysoce výkonný obvod ovladače LED s vysokým výkonem? Odpověď zní ano a to je přesně to, co v tomto tutoriálu vytvoříme.

Výběr správné LED pro vaši LED žárovku

Prvním krokem při návrhu obvodu ovladače LED žárovky je rozhodnutí o zátěži, tj. LED, kterou budeme používat v našich žárovkách. Níže uvádíme ty, které používáme v tomto projektu.

LED diody ve výše uvedeném pruhu jsou 5730 balení 0,5 W studené bílé LED diody se světelným tokem 57 lm. Napětí v propustném směru je 3,2 V minimálně na 3.6V maximum s dopředným proudem 120 až 150 mA. Proto lze k výrobě 200 lumenů světla použít 4 LED diody v sérii. Požadované napětí tohoto pásku bude 3,4 x 4 = 13,6 V a každou ledem bude protékat proud 100 - 120 mA.

Zde je schéma LED v sérii -

LNK304 - LED ovladač IC

Driver IC vybraný pro tuto aplikaci je LNK304. Může úspěšně zajistit požadovanou zátěž pro tuto aplikaci spolu s automatickým restartem, zkratem a tepelnou ochranou. Funkce lze vidět na následujícím obrázku -

Výběr dalších komponent

Výběr dalších komponent závisí na vybraném integrovaném obvodu ovladače. V našem případě v datovém listu používá referenční design poloviční vlnový usměrňovač využívající dvě standardní diody pro obnovení. Ale v této aplikaci jsme použili diodový most pro celovlnovou nápravu. Může to zvýšit výrobní náklady, ale v konečném důsledku záleží také na kompromisech designu pro správnou dodávku energie přes zátěž. Schematický diagram bez hodnot je vidět na obrázku níže, pojďme nyní diskutovat o tom, jak vybrat hodnoty

Takže Diode Bridge BR1 je vybrán DB107 pro tuto aplikaci. Pro tuto aplikaci však lze vybrat také 500mA diodový most. Za diodovým můstkem se používá filtr pí, kde jsou vyžadovány dva elektrolytické kondenzátory spolu s induktorem. To napraví DC a také sníží EMI. Hodnoty kondenzátorů vybrané pro tuto aplikaci jsou elektrolytické kondenzátory 10uF 400V. Hodnoty musí být vyšší než 2,2uF 400V. Pro účely optimalizace nákladů může být nejlepší volbou 4,7uF až 6,8uF.

Pro induktor se doporučuje více než 560uH s 1,5A jmenovitého proudu. Proto jsou C1 a C2 vybrány jako 10uF 400V a L1 jako 680uH a 1,5A diodový můstek DB107 pro DB1.

Usměrněný stejnosměrný proud je přiváděn do budicího IC LNK304. Obtokový kolík musí být spojen se zdrojem kondenzátorem 0,1 uF 50V. Proto je C3 0,1uF 50V keramický kondenzátor. D1 musí být ultrarychlá dioda s reverzní dobou zotavení 75 ns. Je vybrán jako UF4007.

FB je zpětnovazební kolík a pro stanovení výstupního napětí se používá odpor R1 a R2. Referenční napětí na kolíku FB je 1,635 V, IC přepíná výstupní napětí, dokud nezíská toto referenční napětí na svém zpětnovazebním kolíku. Proto lze pomocí jednoduchého kalkulátoru děliče napětí zvolit hodnotu rezistorů. Pro získání 13,6 V jako výstupu je tedy hodnota rezistoru vybrána na základě níže uvedeného vzorce

Vout = (zdrojové napětí x R2) / (R1 + R2)

V našem případě je Vout 1,635V, zdrojové napětí je 13,6V. Hodnotu R2 jsme vybrali jako 2,05k. Takže R1 je 15k. Tento vzorec můžete také použít k výpočtu zdrojového napětí. Kondenzátor C4 je vybrán jako 10uF 50V. D2 je standardní usměrňovací dioda 1N4007. L2 je stejný jako L1, ale proud může být menší. L2 je také 680uH s hodnocením 1,5A.

Kondenzátor výstupního filtru C5 je vybrán jako 100uF 25V. R3 je minimální zátěž, která se používá pro regulační účely. Pro regulaci nulového zatížení je zvolena hodnota 2,4k. Aktualizované schéma spolu se všemi hodnotami je uvedeno níže.

Práce s beztransformátorovým LED budicím obvodem

Celý obvod pracuje v topologii přepínání induktorů MDCM (Mostly Discontinuous Conduction Mode). Převod střídavého proudu na stejnosměrný se provádí diodovým můstkem a filtrem pí. Po získání usměrněného stejnosměrného proudu je fáze zpracování energie prováděna LNK304 a D1, L2 a C5. Pokles napětí na D1 a D2 je téměř stejný, kondenzátor C3 kontroluje výstupní napětí a v závislosti na napětí na kondenzátoru C3 je snímán LNK304 pomocí děliče napětí a regulace spínacího výstupu přes zdrojové piny.

Sestavení obvodu ovladače LED

Všechny komponenty potřebné pro konstrukci obvodu, s výjimkou induktorů. Proto musíme navinout vlastní induktor pomocí smaltovaného měděného drátu. Nyní existuje matematický přístup k výpočtu typu jádra, tloušťky drátu, počtu závitů atd. Ale pro zjednodušení provedeme pouze několik závitů s dostupnou cívkou a měděným drátem a pomocí měřiče LCR zkontrolujeme, zda jsme dosáhli požadovanou hodnotu. Vzhledem k tomu, že náš projekt není příliš citlivý na hodnotu induktoru a proud je nízký, bude tento hrubý způsob fungovat dobře. Pokud nemáte měřič LCR, můžete k měření hodnoty induktoru pomocí metody rezonanční frekvence použít také osciloskop.

Výše uvedený obrázek ukazuje, že jsou induktory zaškrtnuty a hodnota je větší než 800uH. Používá se pro L1 a L2. Jednoduchá měděná deska je vyrobena také pro LED. Obvod je zkonstruován v prkénku.

Testování obvodu ovladače LED

Obvod je nejprve testován pomocí VARIAC (variabilní transformátor) a poté zkontrolován univerzálním vstupním napětím, které je 110V / 220V střídavé napětí. Multimetr na levé straně je připojen přes AC vstup a další multimetr na pravé straně je připojen přes jednu LED pro kontrolu výstupního stejnosměrného napětí.

Odečítání probíhá ve třech různých vstupních napětích. První na levé straně ukazuje vstupní napětí 85VAC a přes jednu ledku ukazuje 3,51V, zatímco napětí ledu přes různé vstupní napětí se mírně mění. Podrobné pracovní video naleznete níže.