Κύκλωμα οδηγού χωρίς μετασχηματιστή για αξιόπιστα σχέδια λαμπτήρων χαμηλού κόστους

Οι λαμπτήρες LED λέγεται ότι είναι 80% πιο αποδοτικοί από άλλες συμβατικές επιλογές φωτισμού όπως λαμπτήρες φθορισμού και πυρακτώσεως. Η γρήγορη προσαρμογή των λαμπτήρων LED είναι ήδη αισθητή γύρω μας και η παγκόσμια αγοραία τιμή των λαμπτήρων LED έχει φθάσει τα 5,4 δισεκατομμύρια δολάρια το 2018. Μια πρόκληση, στο σχεδιασμό αυτών των λαμπτήρων LED είναι ότι το φως LED, όπως γνωρίζουμε, λειτουργεί στην τάση DC και στο δίκτυο η τροφοδοσία είναι AC, επομένως πρέπει να σχεδιάσουμε ένα κύκλωμα οδήγησης LED που θα μπορούσε να μετατρέψει την τάση δικτύου AC σε κατάλληλο επίπεδο τάσης DC που απαιτείται για το λαμπτήρα LED. Σε αυτό το άρθρο θα σχεδιάσουμε ένα τέτοιο πρακτικό κύκλωμα οδηγού LED χαμηλού κόστους χρησιμοποιώντας το LNK302 Switching IC για να τροφοδοτήσουμε τέσσερα LED (σε σειρά) που μπορούν να παρέχουν 200 Lumens που λειτουργούν στα 13,6V και καταναλώνουν περίπου 100-150mA.

Προειδοποίηση: Πριν προχωρήσουμε περαιτέρω, είναι πολύ σημαντικό να βεβαιωθείτε ότι εργάζεστε με μεγάλη προσοχή γύρω από το δίκτυο AC. Το κύκλωμα και οι λεπτομέρειες που παρέχονται εδώ ελέγχθηκαν και χειρίστηκαν από ειδικούς. Τυχόν ατυχίες μπορεί να οδηγήσουν σε σοβαρές ζημιές και μπορεί επίσης να είναι θανατηφόρες. Εργαστείτε με δική σας ευθύνη. Σε έχω προειδοποιήσει.

Κύκλωμα τροφοδοσίας χωρίς μετασχηματιστή

Ένα πολύ ακατέργαστο κύκλωμα οδήγησης LED μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Capacitor Dropper, όπως κάναμε και στο προηγούμενο έργο τροφοδοσίας χωρίς Transformer. Ενώ αυτά τα κυκλώματα εξακολουθούν να χρησιμοποιούνται σε μερικά πολύ φθηνά ηλεκτρονικά προϊόντα, πάσχει από πολλά μειονεκτήματα τα οποία θα συζητήσουμε αργότερα. Ως εκ τούτου, σε αυτό το σεμινάριο δεν θα χρησιμοποιούμε τη μέθοδο Capacitor Dropper, αντί να κατασκευάσουμε ένα αξιόπιστο κύκλωμα οδήγησης LED χρησιμοποιώντας ένα IC εναλλαγής.

Μειονέκτημα του κυκλώματος παροχής ρεύματος χωρίς πυκνωτή

Αυτός ο τύπος κυκλώματος τροφοδοσίας χωρίς μετασχηματιστή είναι φθηνότερος από το τυπικό τροφοδοτικό σε κατάσταση εναλλαγής λόγω του χαμηλού αριθμού εξαρτημάτων και της απουσίας μαγνητικών (μετασχηματιστής). Χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα σταγονόμετρου πυκνωτή που χρησιμοποιεί την αντίδραση ενός πυκνωτή για να μειώσει την τάση εισόδου.

Παρόλο που αυτός ο τύπος σχεδίων χωρίς μετασχηματιστή αποδεικνύεται πολύ χρήσιμος σε ορισμένες περιπτώσεις όπου το κόστος παραγωγής ενός συγκεκριμένου προϊόντος πρέπει να είναι χαμηλότερο, ο σχεδιασμός δεν παρέχει Γαλβανική απομόνωση από εναλλασσόμενα ρεύματα και ως εκ τούτου θα πρέπει να χρησιμοποιείται μόνο σε προϊόντα που δεν έρχονται σε άμεση επαφή με τους ανθρώπους. Για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε φώτα υψηλής ισχύος, όπου το περίβλημα είναι κατασκευασμένο με σκληρό πλαστικό και κανένα τμήμα κυκλώματος δεν εκτίθεται για αλληλεπίδραση του χρήστη μόλις εγκατασταθεί. Το πρόβλημα με αυτούς τους τύπους κυκλωμάτων είναι ότι εάν η μονάδα τροφοδοσίας αποτύχει, θα μπορούσε να αντανακλά την υψηλή τάση εναλλασσόμενου ρεύματος στην έξοδο και αυτό μπορεί να γίνει παγίδα θανάτου.

Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι αυτά τα κυκλώματα περιορίζονται σε χαμηλή τρέχουσα βαθμολογία. Αυτό συμβαίνει επειδή το ρεύμα εξόδου εξαρτάται από την τιμή του πυκνωτή που χρησιμοποιείται, για υψηλότερη βαθμολογία ρεύματος πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένας πολύ μεγάλος πυκνωτής. Αυτό είναι ένα πρόβλημα επειδή οι ογκώδεις πυκνωτές αυξάνουν επίσης το χώρο του πίνακα και αυξάνουν το κόστος παραγωγής. Επίσης, το κύκλωμα δεν έχει κύκλωμα προστασίας, όπως προστασία βραχυκυκλώματος εξόδου, προστασία από ρεύμα, θερμική προστασία κ.λπ. Εάν πρέπει να προστεθούν, αυξάνει επίσης το κόστος και την πολυπλοκότητα. Ακόμα κι αν όλα γίνονται καλά, δεν είναι αξιόπιστα.

Λοιπόν, το ερώτημα είναι, υπάρχει κάποια λύση που μπορεί να είναι φθηνότερη, αποτελεσματική, απλή και μικρότερη σε μέγεθος μαζί με όλα τα κυκλώματα προστασίας για τη δημιουργία ενός μη απομονωμένου κυκλώματος οδηγού LED υψηλής ισχύος AC σε DC; Η απάντηση είναι ναι και αυτό ακριβώς πρόκειται να δημιουργήσουμε σε αυτό το σεμινάριο.

Επιλέγοντας το σωστό LED για το λαμπτήρα LED

Το πρώτο βήμα στο σχεδιασμό ενός κυκλώματος οδηγού λαμπτήρα LED είναι να αποφασίσει για το φορτίο, δηλαδή το LED που θα χρησιμοποιήσουμε στους λαμπτήρες μας. Αυτά που χρησιμοποιούμε σε αυτό το έργο φαίνονται παρακάτω.

Οι λυχνίες LED στην παραπάνω λωρίδα είναι 5730 πακέτα 0,5 watt δροσερές λευκές λυχνίες LED με φωτεινή ροή 57lm. Η τάση προς τα εμπρός είναι 3,2V ελάχιστη έως το μέγιστο 3,6V με ρεύμα προώθησης 120 έως 150 mA. Επομένως, για την παραγωγή 200 lumens φωτός, 4 LED μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σειρά. Η απαιτούμενη τάση αυτής της ταινίας θα είναι 3,4 x 4 = 13,6V και το ρεύμα 100-120mA θα ρέει μέσω κάθε λυχνίας.

Εδώ είναι το σχήμα των LED σε σειρά -

LNK304 - IC οδηγού LED

Το IC προγράμματος οδήγησης που επιλέχθηκε για αυτήν την εφαρμογή είναι LNK304. Μπορεί να παρέχει με επιτυχία το απαιτούμενο φορτίο για αυτήν την εφαρμογή μαζί με αυτόματη επανεκκίνηση, βραχυκύκλωμα και θερμική προστασία. Τα χαρακτηριστικά φαίνονται στην παρακάτω εικόνα -

Επιλογή των άλλων στοιχείων

Η επιλογή άλλων εξαρτημάτων εξαρτάται από το επιλεγμένο IC προγράμματος οδήγησης. Στην περίπτωσή μας το φύλλο δεδομένων, ο σχεδιασμός αναφοράς χρησιμοποιεί ανορθωτή μισού κύματος χρησιμοποιώντας δύο τυπικές διόδους ανάκτησης. Αλλά σε αυτήν την εφαρμογή, χρησιμοποιήσαμε το Diode Bridge για διόρθωση πλήρους κύματος. Μπορεί να αυξήσει το κόστος παραγωγής, αλλά στο τέλος, οι αντισταθμίσεις σχεδιασμού έχουν επίσης σημασία για τη σωστή παροχή ισχύος σε όλο το φορτίο. Το σχηματικό διάγραμμα χωρίς τιμές μπορεί να δει στην παρακάτω εικόνα, τώρα ας συζητήσουμε πώς να επιλέξουμε τις τιμές

Έτσι, το Diode Bridge BR1 επιλέγεται DB107 για αυτήν την εφαρμογή. Ωστόσο, 500mA Diode Bridge μπορεί επίσης να επιλεγεί για αυτήν την εφαρμογή. Μετά τη γέφυρα διόδων, χρησιμοποιείται ένα φίλτρο pi όπου απαιτούνται δύο ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές μαζί με έναν επαγωγέα. Αυτό θα διορθώσει το DC και θα μειώσει επίσης το EMI. Οι τιμές πυκνωτών που επιλέγονται για αυτήν την εφαρμογή είναι ηλεκτρολυτικοί πυκνωτές 10uF 400V. Οι τιμές πρέπει να είναι υψηλότερες από το 2.2uF 400V. Για σκοπούς βελτιστοποίησης κόστους, 4,7uF έως 6,8uF μπορεί να είναι η καλύτερη επιλογή.

Για τον επαγωγέα, συνιστάται περισσότερο από 560uH με 1,5Α της τρέχουσας βαθμολογίας. Επομένως, τα C1 και C2 επιλέγονται να είναι 10uF 400V και L1 ως 680uH και μια γέφυρα διόδων 1.5Α DB107 για DB1.

Το διορθωμένο DC τροφοδοτείται στον οδηγό IC LNK304. Ο πείρος παράκαμψης πρέπει να συνδεθεί με την πηγή με πυκνωτή 0.1uF 50V. Επομένως, το C3 είναι κεραμικός πυκνωτής 0.1uF 50V. Το D1 πρέπει να είναι μια εξαιρετικά γρήγορη δίοδος με αντίστροφο χρόνο ανάκτησης 75 ns. Επιλέγεται ως UF4007.

Το FB είναι ο πείρος ανάδρασης και η αντίσταση R1 και R2 χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της τάσης εξόδου. Η τάση αναφοράς σε ολόκληρο τον πείρο FB είναι 1,635V, το IC αλλάζει την τάση εξόδου έως ότου λάβει αυτή την τάση αναφοράς στον πείρο ανατροφοδότησης. Επομένως, χρησιμοποιώντας έναν απλό υπολογιστή διαχωριστή τάσης, μπορεί να επιλεγεί η τιμή των αντιστάσεων. Έτσι, για να αποκτήσετε 13.6V ως έξοδο, η τιμή της αντίστασης επιλέγεται με βάση τον παρακάτω τύπο

Vout = (Τάση πηγής x R2) / (R1 + R2)

Στην περίπτωσή μας ο Vout είναι 1.635V, η τάση πηγής είναι 13.6V. Επιλέξαμε την τιμή R2 ως 2.05k. Έτσι, το R1 είναι 15k. Εναλλακτικά, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε αυτόν τον τύπο για να υπολογίσετε επίσης την τάση πηγής. Ο πυκνωτής C4 επιλέγεται ως 10uF 50V. Το D2 είναι μια τυπική διόρθωση ανορθωτή 1N4007. Το L2 είναι το ίδιο με το L1, αλλά το ρεύμα μπορεί να είναι μικρότερο. Το L2 είναι επίσης 680uH με βαθμολογία 1.5A.

Ο πυκνωτής φίλτρου εξόδου C5 επιλέγεται ως 100uF 25V. Το R3 είναι ένα ελάχιστο φορτίο που χρησιμοποιείται για σκοπούς ρύθμισης. Για ρύθμιση μηδενικού φορτίου, η τιμή επιλέγεται ως 2.4k. Το ενημερωμένο σχηματικό μαζί με όλες τις τιμές φαίνεται παρακάτω.

Λειτουργία κυκλώματος οδήγησης χωρίς μετασχηματιστή LED

Το πλήρες κύκλωμα λειτουργεί σε MDCM (Mostly Discontinuous Conduction Mode) Inductor switching Topology. Η μετατροπή AC σε DC πραγματοποιείται από τη γέφυρα διόδων και το φίλτρο pi. Αφού λάβετε το διορθωμένο DC, το στάδιο επεξεργασίας ισχύος γίνεται από τους LNK304 και D1, L2 και C5. Η πτώση τάσης στα D1 και D2 είναι σχεδόν η ίδια, ο πυκνωτής C3 ελέγχει την τάση εξόδου και ανάλογα με την τάση στον πυκνωτή C3 ανιχνεύεται από το LNK304 χρησιμοποιώντας το διαχωριστικό τάσης και ρυθμίζοντας την έξοδο εναλλαγής στους ακροδέκτες πηγής.

Δημιουργία κυκλώματος οδήγησης LED

Όλα τα εξαρτήματα που απαιτούνται για την κατασκευή του κυκλώματος, εκτός από επαγωγείς. Ως εκ τούτου, πρέπει να τυλίγουμε το δικό μας πηνίο χρησιμοποιώντας σμάλτο χάλκινο σύρμα. Τώρα υπάρχει μια μαθηματική προσέγγιση για τον υπολογισμό του τύπου του πυρήνα, το πάχος του σύρματος, τον αριθμό των στροφών κλπ, όμως, για την απλότητα σκοπό αυτό θα κάνει μόνο μερικές στροφές με το διαθέσιμο μπομπίνα και χαλκού σύρμα και να χρησιμοποιήσετε ένα μετρητή LCR για να ελέγξετε αν έχουμε φτάσει την απαιτούμενη τιμή. Ουσιαστικά το έργο μας δεν είναι πολύ ευαίσθητο στην τιμή επαγωγέα και η τρέχουσα βαθμολογία είναι χαμηλή, αυτός ο ακατέργαστος τρόπος θα λειτουργήσει μια χαρά. Εάν δεν έχετε μετρητή LCR μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε έναν παλμογράφο για να μετρήσετε την τιμή του επαγωγέα χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συντονισμού συντονισμού.

Η παραπάνω εικόνα δείχνει ότι οι επαγωγείς ελέγχονται και η τιμή είναι μεγαλύτερη από τα 800uH. Χρησιμοποιείται για τα L1 και L2. Μια απλή επένδυση από χαλκό είναι επίσης κατασκευασμένη για LED. Το κύκλωμα είναι κατασκευασμένο σε ένα breadboard.

Δοκιμή κυκλώματος οδηγού LED

Το κύκλωμα δοκιμάζεται πρώτα χρησιμοποιώντας ένα VARIAC (Μεταβλητός Μετασχηματιστής) και μετά ελέγχεται σε τάση εισόδου καθολικής που είναι τάση 110V / 220V AC Το πολύμετρο στα αριστερά συνδέεται με την είσοδο AC και ένα άλλο πολύμετρο στα δεξιά συνδέεται με ένα μόνο LED για τον έλεγχο της τάσης DC εξόδου.

Η ένδειξη λαμβάνεται σε τρεις διαφορετικές τάσεις εισόδου. Το πρώτο στην αριστερή πλευρά δείχνει τάση εισόδου 85VAC και σε ένα μόνο led δείχνει 3,51V ενώ η τάση LED σε διαφορετική τάση εισόδου αλλάζει ελαφρώς. Το λεπτομερές βίντεο εργασίας βρίσκεται παρακάτω.