Преимущества светодиодных лап рассматривались неоднократно. Обилие положительных отзывов пользователей светодиодного освещения волей-неволей заставляет задуматься о собственных лампочках Ильича. Все было бы неплохо, но когда дело доходит до калькуляции переоснащения квартиры на светодиодное освещения, цифры немного «напрягают».
Для замены обыкновенной лампы на 75Вт идёт светодиодная лампочка на 15Вт, а таких ламп надо поменять десяток. При средней стоимости около 10 долларов за лампу бюджет выходит приличный, да и еще нельзя исключить риск приобретения китайского «клона» с жизненным циклом 2-3 года. В свете этого многие рассматривают возможность самостоятельного изготовления этих девайсов.
Теория питания светодиодных ламп от 220В
Самый бюджетный вариант можно собирать своими руками из вот таких светодиодов. Десяток таких малюток стоит меньше доллара, а по яркости соответствует лампе накаливания на 75Вт. Собрать всё воедино не проблема, вот только напрямую в сеть их не подключишь – сгорят. Сердцем любой светодиодной лампы является драйвер питания. От него зависит, насколько долго и хорошо будет светить лампочка.
Простой LED-драйвер
Что бы собрать светодиодную лампу своими руками на 220 вольт, разберёмся в схеме драйвера питания.
Параметры сети значительно превышают потребности светодиода. Что бы светодиод смог работать от сети требуется уменьшить амплитуду напряжения, силу тока и преобразовать переменное напряжение сети в постоянное.
Для этих целей используют делитель напряжения с резисторной либо ёмкостной нагрузкой и стабилизаторы.
Компоненты диодного светильника
Схема светодиодной лампы на 220 вольт потребует минимальное количество доступных компонентов.
- Светодиоды 3,3В 1Вт – 12 шт.;
- керамический конденсатор 0,27мкФ 400-500В – 1 шт.;
- резистор 500кОм — 1Мом 0,5 — 1Вт – 1 ш.т;
- диод на 100В – 4 шт.;
- электролитические конденсаторы на 330мкФ и 100мкФ 16В по 1 шт.;
- стабилизатор напряжения на 12В L7812 или аналогичный – 1шт.
Изготовление драйвера светодиодов на 220В своими руками
Схема лед драйвера на 220 вольт представляет собой не что иное, как импульсный блок питания.
В качестве самодельного светодиодного драйвера от сети 220В рассмотрим простейший импульсный блок питания без гальванической развязки. Основное преимущество таких схем – простота и надёжность. Но будьте осторожны при сборке, поскольку у такой схемы нет ограничения по отдаваемому току. Светодиоды будут отбирать свои положенные полтора ампера, но если вы коснётесь оголённых проводов рукой, ток достигнет десятка ампер, а такой удар тока очень ощутимый.
Схема простейшего драйвера для светодиодов на 220В состоит их трёх основных каскадов:
- Делитель напряжения на ёмкостном сопротивлении;
- диодный мост;
- каскад стабилизации напряжения.
Первый каскад – ёмкостное сопротивление на конденсаторе С1 с резистором. Резистор необходим для саморазрядки конденсатора и на работу самой схемы не влияет. Его номинал не особо критичен и может быть от 100кОм до 1Мом с мощностью 0,5-1 Вт. Конденсатор обязательно не электролитический на 400-500В (эффективное амплитудное напряжение сети).
При прохождении полуволны напряжения через конденсатор, он пропускает ток, пока не произойдет заряд обкладок. Чем меньше его ёмкость, тем быстрее происходит полная зарядка. При ёмкости 0,3-0,4мкФ время зарядки составляет 1/10 периода полуволны сетевого напряжения. Говоря простым языком, через конденсатор пройдет лишь десятая часть поступающего напряжения.
Второй каскад – диодный мост. Он преобразует переменное напряжение в постоянное. После отсечения большей части полуволны напряжения конденсатором, на выходе диодного моста получаем около 20-24В постоянного тока.
Третий каскад – сглаживающий стабилизирующий фильтр.
Конденсатор с диодным мостом выполняют функцию делителя напряжения. При изменении вольтажа в сети, на выходе диодного моста амплитуда так же будет меняться.
Что бы сгладить пульсацию напряжения параллельно цепи подключаем электролитический конденсатор. Его ёмкость зависит от мощности нашей нагрузки.
В схеме драйвера питающее напряжение для светодиодов не должно превышать 12В. В качестве стабилизатора можно использовать распространённый элемент L7812.
Собранная схема светодиодной лампы на 220 вольт начинает работать сразу, но перед включением в сеть тщательно изолируйте все оголённые провода и места пайки элементов схемы.
Вариант драйвера без стабилизатора тока
В сети существует огромное количество схем драйверов для светодиодов от сети 220В, которые не имеют стабилизаторов тока.
Проблема любого безтрансформаторного драйвера – пульсация выходного напряжения, следовательно, и яркости светодиодов. Конденсатор, установленный после диодного моста, частично справляется с этой проблемой, но решает её не полностью.
На диодах будет присутствовать пульсация с амплитудой 2-3В. Когда мы устанавливаем в схему стабилизатор на 12В, даже с учётом пульсации амплитуда входящего напряжения будет выше диапазона отсечения.
Диаграмма напряжения в схеме без стабилизатора
Диаграмма в схеме со стабилизатором
Поэтому драйвер для диодных ламп, даже собранный своими руками, по уровню пульсации не будет уступать аналогичным узлам дорогих ламп фабричного производства.
Как видите, собрать драйвер своими руками не представляет особой сложности. Изменяя параметры элементов схемы, мы можем в широких пределах варьировать значения выходного сигнала.
Если у вас возникнет желание на основе такой схемы собрать схему светодиодного прожектора на 220 вольт, лучше переделать выходной каскад под напряжение 24В с соответствующим стабилизатором, поскольку выходной ток у L7812 1,2А, это ограничивает мощность нагрузки в 10Вт. Для более мощных источников освещения требуется либо увеличить количество выходных каскадов, либо использовать более мощный стабилизатор с выходным током до 5А и устанавливать его на радиатор.
Источник: svetodiodinfo.ru
Импульсный драйвер светодиодов из компаратора и подручного барахла
То, что написано ниже носит, скорее, образовательный характер, так что не спешите кидаться собирать схему и пихать её куда попало. В качестве управляющих микросхем для импульсных драйверов светодиодов рассмотрите готовые микросхемки, вроде:
ZXLD1350
ZXLD1360
MBI6651
MBI6661
PT4115
LM3409
NCP3065
и тому подобное барахлишко…
Предисловие
Допустим нужно зажечь три последовательно включенных белых 1Вт светодиода (суммарное падение напряжения 9,5В) от автомобильной сети (10,5-16В), а под рукой нет подходящего драйвера, или по какой-то причине лень идти за ним в магазин, или просто хочется поиграться с использованием рассыпухи, оставшейся от разобранного телевизора…
Ниже речь пойдёт о том, что такое импульсный драйвер светодиодов, и как его сделать на основе обычного компаратора
Принцип работы
Итак, рассмотрим схему, где у нас в кружок включены источник питания, выключатель, дроссель и светодиод. В середину воткнём обратный диод: он нам ещё пригодится.
Когда выключатель замкнут, ток начинает течь по цепи. Но дроссель не даёт току вот так просто взять и потечь: изменяющийся ток, протекающий через дроссель, вызывает изменение магнитного поля в нём. Изменение магнитного поля, как мы знаем, возбуждает ток в проводнике, этот ток направлен в обратную сторону, то есть препятствует нарастанию тока в дросселе.
В итоге, вместо того, чтобы просто так взять и потечь, ток будет медленно и печально нарастать со временем. Рассчитать скорость нарастания тока можно по формуле:
Где ΔI/Δt – это изменение тока за время (в амперах и секундах, соответственно); U – напряжение на дросселе (т.е. разница напряжений до и после, в вольтах), а L – его индуктивность (в Генри).
Например, если у нас есть катушка на 100мкГн, и мы замыкаем выключатель на 1мкс, а напряжение в сети 10В, то ток успеет вырасти только до 100мА.
Ну, допустим, худо-бедно ток пошёл через цепь, а что будет, если разомкнуть выключатель?
Ситуация та же самая: изменение магнитного поля в дросселе создаёт в нём же ток, и ток так просто не прекращается, а продолжает себе течь.
Формула для расчёта та же, что и выше. Если бы дроссель оказался просто в разомкнутой цепи, то ток, не встречая никакого сопротивления, начал бы производить высокое напряжение, ограниченное лишь потерями в дросселе, сотни, а то и тысячи вольт. Между контактами выключателя можно было бы наблюдать искорку. К счастью, мы предусмотрительно воткнули в цепь диод. Этот диод лихо заворачивает ток обратно в цепь, и ток плавненько затухает, по той же самой формуле.
Когда речь идёт об управлении светодиодами, это значит, задача стоит в стабилизации тока в цепи на заданном уровне. Что, если бы мы смогли управлять нашим выключателем, наблюдая за током в цепи?
Когда ток становится меньше чем надо, замыкаем ключ, а когда больше чем надо – размыкаем. Самый простой вариант наблюдения за током – это использование шунтового резистора.
Когда через резистор R протекает ток I, на нём, как помним из закона Ома, падает напряжение, U = I * R
Итак, остаётся дело за малым:
1) Где-нибудь взять эталонное напряжение;
2) Сравнить напряжение на резисторе с эталонным;
3) Поставить достаточно быстрый ключ;
4) Поставить достаточно быстрый диод.
Труля-ля, вот и схема:
Полный размер
Погодите-погодите! Она только на вид страшная, на самом она добрая и дарит детям конфеты и всё тут не так уж и жутко.
Для эксперимента я взял самый дешёвый компаратор из тех, что у меня были в наличии. Это оказался LM2901 (so-14, четыре компаратора в корпусе), но пойдут практически любые подобные (LM239, LM339 – также 4 штуки в корпусе; LM2903, LM293, LM393 – по 2 штуки в корпусе; ну и т.д.).
Работают такие компараторы при напряжении питания от 2 до 36 Вольт, а выход у них выполнен «на открытом коллекторе» в виде npn-транзистора, который притягивает выход к земле, когда компаратор выводит «низкий уровень», и болтается сосиской ни к чему не подсоединённый, когда выводится «высокий уровень». Такая схема с одной стороны позволяет объединять пучок компараторов вместе, но с другой – требует подтягивающего резистора. Минимум эти компараторы способны притягивать к земле ток 6мА, а типично – 16мА.
У компаратора есть два входа: «плюс» (он же «позитивный», он же «не-инверсный») и «минус» (он же «негативный», он же «инверсный»). Когда напряжение на одном из входов компаратора больше, чем на другом плюс небольшое смещение (т.н. offset voltage, типично 1мВ), то выход замыкается на землю. Когда станет наоборот – размыкается.
Вот только я никогда раньше с компараторами не работал и поэтому засомневался: а на каком входе напряжение должно быть больше, чтобы выход замкнулся? С одной стороны он «замыкается», то есть переходит в некое активное состояние и можно ожидать, что это происходит когда «плюс» больше «минуса». Но с другой стороны, мы говорим о логических уровнях, и раз замыкается он на землю, то это низкий логический уровень, т.е. когда условие не выполняется и «плюс» меньше «минуса».
Ещё больше сумбура внесли снусмумрики с сайта «амперка», цитирую:
Если «+» оказывается больше, чем «−», выходным сигналом является земля (GND)
Не меньшими Ёжинами-с-бажин оказались и товарищи из Техас Инструментс, цитирую страницу 10, секция 8.3:
The output NPN sinks current when the positive input voltage is higher than the negative input voltage and the offset voltage
перевожу: «Выходной NPN потребляет ток, когда напряжение на позитивном входе больше, чем напряжение на негативном и напряжение смещения»
А вот в других местах, да и в том же даташите от TI (стр 12, секция 9.2.2.1) писали прямо противоположное. Поэтому я решил пойти по-научному. Припаял проводочки к микросхемке, подавал всякие бесстыжие напряжения на входы, да смотрел что у неё на выходе.
Итак, я публикую результаты своих научных изысканий:
Когда напряжение на входе «плюс» (плюс напряжение смещения) больше напряжения на входе «минус», выход компаратора открыт – т.е. висит в воздухе, не потребляет ток. Соответственно, если есть внешний подтягивающий резистор, на выходе будет высокий уровень.
Когда напряжение на входе «плюс» (плюс напряжение смещения) меньше напряжения на «минусе», — то включается выходной NPN транзистор и замыкает выход на землю, на выходе устанавливается низкий уровень. Т.е. выход замыкается, как только напряжение на «плюсе» падает ниже «минуса».
Что это значит для геополитической ситуации вообще и для нашей схемы в частности? А то, что на вход «плюс» мы запулим напряжение с шунта, в то время как к «минусу» прикрутим опорное напряжение. Когда напряжение с шунта упадёт ниже нужного, заработает выходной каскад компаратора, который включит ток через транзистор.
1 Вт светодиоды работают при токе 350мА. Значит нужно подобрать такой шунт, чтобы на нём не было слишком много потерь. Я решил использовать шунт 0,5 Ома, составленный из двух параллельных 1-омных резисторов. Т.е. нужно на нём стабилизировать напряжение в районе 175 милливольт.
Опорное напряжение
Всё что на схеме правее конденсатора C1 и левее компаратора – это просто куча барахла, чтобы сгенерировать опорные 0,17 Вольт. В качестве стабилизатора я использовал источник опорного напряжения TL431 – это такой волшебный стабилитрон, который очень точно стабилизирует падение напряжения на уровне 2,5 Вольт, если через него течёт ток от 1 до 100мА (а вообще работать начинает и при 400мкА, при нормальных условиях). Вместо него можно использовать линейные стабилизаторы напряжения, или обычные стабилитроны, с учётом того, что стабилизированное напряжение на стабилитроне будет плавать в значительно больших пределах в зависимости от температуры, или напряжения питания.
R2, R3 – это туподелитель, который превращает 2,5 Вольта в нужные 0,17, C2 фильтрует возможные скачки плюс выполняет роль медленного старта, т.к. замедляет рост опорного напряжения, и, как следствие, стабилизируемого тока в цепи, при старте. Его ёмкость не так уж важна; 1 нФ тоже сойдёт, можно даже обойтись без него.
Если нужно собрать несколько драйверов для нескольких цепей светодиодов, то опорного напряжения достаточного одного на всех.
В качестве ключа используется более-менее мощный МОП-полевой транзистор с p-каналом, затвор которого рассчитан на 20 вольт. Я в качестве такового взял IRLML9301 в корпусе sot23: он рассчитан на ток до 3,6 Ампер и сопротивление сток-исток, при 10 Вольтах на затворе-истоке, всего 51 мОм. Впрочем, в данной схеме страшно не столько сопротивление открытого транзистора, сколько ёмкость затвора, которая увеличивает время открытия и закрытия, как следствие, потери на переходные процессы.
Для управления транзистором используется драйвер из двух встречных эмиттерных повторителей на NPN вверху (VT1) и PNP внизу (VT2), я взял BC817 и BC807, соответственно, с усилением по току 250 (а вообще не выбирал – открыл коробку, да сунул руку)
Абы какие диоды в импульсные преобразователи не подходят, нужны диоды с барьером Шоттки. По сравнению с обычными диодами, у Шоттки пренебрежительно малое время восстановления – т.е. они закрываются практически мгновенно и также малое падение напряжения на них (типично от 0,25 Вольт против 0,7 у обычных), а значит меньше потери. Для преобразователя – просто прелесть, а вот для повседневной жизни у них есть ряд недостатков: относительно большой ток утечки при обратном включении, который может при нагреве достигать десятков миллиампер, плюс необратимый выход из строя при превышении допустимого напряжения.
Итак, я взял MBR0540 в корпусе sod123 рассчитанный на постоянный ток до 0,5 Ампер.
Дроссель можно выбирать по принципу «чем больше, тем лучше», ведь именно дроссель будет задавать скорость нарастания тока, как следствие, амплитуду его пульсации и частоту. Но можно ограничить индуктивность снизу.
Из описания компаратора известно, что скорость его реакции составит от 300нс до 1,3мкс, в зависимости от того насколько велика разница напряжений на входах: чем больше, тем быстрее он переключится. По многочисленным графикам в даташитах можно видеть, что при разнице более 20мВ, скорость реакции будет на уровне 600нс, плюс накинем 400нс про запас на скорость реакции всей этой транзисторной конструкции, будем условно считать что ток в дросселе не должен достичь заоблачных пределов за 1 мкс, пока это не будет обнаружено и транзистор, наконец, не закроется.
Теперь нужно выяснить какое напряжение на дросселе у нас будет? А очень просто – разница входного и выходного. Если мы пихаем конструкцию в автомобиль, то входное возьмём 14 Вольт, а выходное – это три белых светодиода по 3,2 Вольта на каждом + 0,17 Вольт на шунте, итого 9,8 Вольт примерно.
Раз уж берём цифры с потолка, то сядем в позу лотоса, помедитируем, дабы определиться какой размер тока для нас будет страшным. Скажем, мы не хотим чтобы ток за эту микросекунду разросся более чем на 150мА выше задуманного. Итак, знаем напряжение, знаем дельту времени, знаем дельту тока, из формулы, которая была в начале, вычленим значение индуктивности:
L= U * Δt / ΔI
Подставляем:
L=4,2В * 1мкс / 0,15А = 28мкГн (главное не запутаться в микро- и прочих).
Итак, нам нужен дроссель выше 28мкГн рассчитанный на ток выше 0,35А.
По-хорошему берём что-то в районе 100мкГн и от 0,5А, чтоб с запасом всё работало плавненько. Слишком гигантские индуктивности тоже ни к чему, т.к. у них большое сопротивление, а значит больше потери.
У нас в магазинчике, например, продаются выводные «бочонки» Ø6×10мм на 100мкГн и 710мА всего за 13 рублей.
Но мне интереснее было провести испытания, поэтому я взял smd самую маленькую как по току так и по индуктивности, чтобы посмотреть что получится – 33мкГн на 0,4А.
Вспомогательные элементы
Ну, во-первых, т.к. ток в цепи будет пульсировать, чтобы не слишком напрягать источник питания нашей схемы, нужен хороший входной конденсатор электролит, от 47мкФ и выше, на схеме это C1
Во-вторых, рядом с силовым транзистором (а если предполагается что драйверов будет несколько – то рядом с каждым) нужно впихнуть конденсатор с низким ESR, который будет брать на себя ударные нагрузки. Т.е. керамический конденсатор. Подойдёт 1мкФ. На схеме это C3
Наконец, чтобы сгладить скачки тока в цепи светодиодов, можно параллельно им также вштындурить керамику C4 также на микрофарад или около того.
Поскольку схема стабилизирует ток, то большого значения не имеет, сколько светодиодов включены последовательно, лишь бы суммарное падение напряжения на них, при номинальном токе, было меньше, чем напряжение питания минус потери на шунте, транзисторе и дросселе (грубо минус вольт, однако помним, что чем меньше падение напряжения на светодиодах, тем больше амплитуда пульсации тока).
Если речь идёт про белые осветительные светодиоды 1Вт, то падение напряжения на них в районе 3,2 Вольта – таких можно включить три штуки. Если мы ваяем, например, стоп-сигнал, и используем красные светодиоды на которых типичное падение напряжения 2,3 Вольта, то таких уже можно зарядить сразу четыре.
Ура, схема готова!
Источник: www.drive2.ru
LED-драйвер со стоимостью BOM-а меньше 1$. Это возможно?
Разработка LED-драйвера – интересная и комплексная задача. Рынок в этом направлении весьма насыщен – иногда кажется, что производство светодиодных светильников везде. Начиная от гаража и заканчивая огромными заводами. Что касается драйверов, гиганты типа Philips или Meanwell с одной стороны, добротные китайцы вроде Moso и Billion с другой, noname китайцы с третьей… В этих условиях к инженерным составляющим (схемотехнической и конструкторской) добавляется задача оптимизации изделия по цене.
Итак, рассказываю про разработку LED-драйвера при существенном ограничении по цене комплектующих.
В своей предыдущей статье я провёл небольшой анализ требований, предъявляемых к светодиодному оборудованию, а также нормативной документации, описывающей эти требования. Настало время рассказать про разработку. Как известно «без ТЗ – результат непредсказуем», с этого и начнём.
Требования ТЗ
- Питающее напряжение 230±10%
- Потребляемая мощность 15 Вт
- Выходное напряжение: 110 — 120В
- Гальваническая развязка: не требуется
- Пульсации светового потока: не более 5%
- Световая отдача: не менее 100лм/Вт
- Коэффициент мощности: не менее 0,9 (также проработать вариант 0,5)
- Конструктивные ограничения: Высота элементов 14мм, максимум SMD (по возможности).
- Стоимость комплектующих LED-драйвера: не более 1$
Анализ вариантов схемотехники LED-драйвера
Рассмотрим варианты реализации.
Вариант без ККМ. В данном случае, так как выходное напряжение 110-120В, нужно делать понижающий преобразователь (buck). На входе buck-конвертера выпрямитель и накопительный конденсатор, это даст постоянное (пульсирующее) напряжение приблизительно 310В. Для того, чтобы было более понятно о чём идёт речь, здесь и далее для каждого варианта буду приводить примеры микросхем, на которых можно реализовать рассмотренную структуру. Примеры микросхем для понижающего конвертера без ККМ: LM3444, HV9910B, HV9961, BP2831.
Одностадийный совмещённый ККМ/стабилизатор тока. Вариант, когда одна стадия преобразования обеспечивает потребление синусоидального тока по входу и стабилизацию тока линейки светодиодов. Примеры микросхем: TPS92074, BP2366, PT6917. Есть и экзотические варианты типа HV9931.
Линейный драйвер. Вариант, когда стабилизация тока обеспечивается засчёт рассеивания части мощности на регуляторе (по аналогии с линейным стабилизатором). Примеры микросхем NSI45090, FAN5640, PT6913, BCR402, BP5131.
Двухстадийный: PFC+стабилизатор тока. Первая стадия – повышающий (boost) ККМ, после него на накопительном конденсаторе получается постоянное напряжение 380-400В. Вторая стадия понижающий (buck) конвертер со стабилизацией тока. Так как данное решение обычно применяется для более мощных LED-драйверов, то обычно для первой стадии (ККМ) применяется микросхема с внешним ключом, например, NCP1650, UCC38051, LT1249.
Одностадийный с пассивным ККМ типа «Valley fill». ККМ этого типа это довольно известная в узких кругах схема, о ней я более подробно напишу ниже.
Использование активного фильтра. Это не самостоятельный вариант, а дополнение к одному из вариантов, которое позволяет уменьшить пульсации тока, а, следовательно, и пульсации светового потока. Активный фильтр можно реализовать как на полевом, так и на биполярном транзисторе. Пример схемы:
Также существуют специальные микросхемы для этой цели, например, BP5609, JW1210.
Есть и другие варианты построения LED-драйверов, например, обратноходовой преобразователь (flyback) или сегментный линейный драйвер, они не рассматриваются, так как очевидно не подходят под требования ТЗ.
Для удобства анализа плюсы и минусы рассмотренных вариантов сведены в таблицу:
| Вариант без ККМ (buck) | Не много элементов ➔ дешевле, компактнее. |
Низкие пульсации света.
Нет проблемы ЭМС.
Сложно получить PF лучше, чем 0,9.
Немного о корректоре «Valley fill»
Перед тем, как анализировать и выбирать варианты нужно кратко пояснить, что такое пассивный корректор «Valley fill». Схема выглядит так:
Конденсаторы C1, C2 заряжены каждый до половины амплитудного напряжения сети. Суть работы схемы заключается в том, что конденсаторы C1, C2 с помощью диодов D1, D2, D3 перекоммутируются с последовательного (при заряде) на параллельное (при разряде на нагрузку) соединение.
В результате, нагрузка питается от энергии конденсаторов только в периоды, когда значение выпрямленного напряжения сети становится меньше половины амплитудного значения. Таким образом, длительность потребления тока от сети расширяется и коэффициент мощности увеличивается. Однако, у схемы есть существенный недостаток – выходное напряжение имеет существенную пульсацию – до уровня половины напряжения. Это влияет на выбор напряжения светодиодной линейки, оно должно быть меньше чем половина амплитудного значения входного напряжения плюс некий запас.
Для пояснения принципа работы PFC Valley-Fill сделал spice-модель в LTspice:
Модель доступна тут . Можно скачать и поэкспериментировать, посмотреть принципы работы.
Выбор структуры LED-драйвера
Сначала нужно осветить вопрос гальванической развязки. Устройство (светильник) в целом представляет собой изделие II класса по электробезопасности. Почему не требуется гальваническая развязка? Если устройство в пластиковом корпусе без металлических элементов, к которым может прикоснуться человек, то развязка не нужна, так как защита обеспечена корпусом. Это можно видеть на примере светодиодных ламп – драйверы в LED-лампах никогда не делаются гальванически развязанными.
Вполне очевидно, что мне пришлось отказаться от двухстадийного варианта. Даже если удастся найти для обеих стадий микросхемы со встроенными силовыми ключами (а для boost PFC на первом обзорном этапе (по-быстрому) я не смог найти такие микросхемы, кроме какого-то монстра в гигантском корпусе от Power Integrations), то это всё равно будет две силовых микросхемы и два дросселя. Забегая вперёд скажу, что именно дроссель добавляет существенную часть к стоимости BOM-а. Вариант получается дорогой, кроме того, я прикинул компоновку и понял, что на плату заданного размера это всё не влезет.
Далее, я откинул линейные драйверы. Причина номер один – выходное напряжение 120В, значит на линейнике нужно будет рассеять более половины мощности, это конечно не допустимо. Даже если согласовать увеличение напряжения линейки светодиодов (а такая возможность у меня была), то для таких мощностей линейный драйвер не очень применим. Большая рассеиваемая мощность в компактном пластиковом корпусе превратит его в нагревательный прибор.
Точнее, применить для такой мощности линейный LED-драйвер можно, но только пожертвовав коэффициентом мощности или коэффициентом пульсаций света, чего я делать не собирался. Это и есть вторая причина — невозможно достичь заданных характеристик либо по PF либо по Кп света.
Как вы помните из требований ТЗ, мне нужно предложить два варианта: один без ККМ, а второй с Pf не менее 0,9. В результате анализа выбор для первого варианта очевиден – это понижающий преобразователь (buck) со стабилизацией тока по выходу. То есть, входной фильтр ➔ выпрямитель ➔ электролитический конденсатор большой ёмкости ➔ buck-конвертер. Это вариант довольно простой, и, в общем, не столь интересный для рассмотрения. Далее я буду рассматривать только вариант с ККМ.
А вот для второго варианта я столкнулся с непростым выбором: или . Без активного фильтра получить заданные пульсации света не получится – это было мне очевидно.
Сомнения были такие. Схема с активным фильтром это дополнительный силовой транзистор, а, следовательно, увеличение цены, а также дополнительные потери, значит снижение эффективности. В другом варианте меня смущало, удастся ли получить требуемый Pf с помощью схемы «Valley fill». С одной стороны, в appnote от IR получают коэффициент мощности до 0,96, но там есть и нюансы.
Например, не хотелось чрезмерно увеличивать сопротивление резистора Rvf. Кроме того, был риск, что не хватит запаса по напряжению для нормального регулирования buck-ом. Моделирование показывало, что запаса хватает, но не факт, что это будет также в реальности.
Итак, вариант с корректором «Valley fill» по моей оценке позволял получить меньшую или ту же цену, при увеличении эффективности, это и стало решающим в моём выборе.
Разработка схемы
Схема приведена на рисунке:
Описание элементов схемы:
FU1 – предохранитель, необходим по требованиям безопасности;
RV1 – варистор для подавления микросекундных импульсных помех большой энергии, а также наносекундных импульсных помех;
R1, R2 – резисторы для разряда входного конденсатора при отключении устройства от сети;
C1 – конденсатор входного фильтра помех (X2-class capacitor), подавляет кондуктивные помехи в сеть, а также вместе с RV1 помогает в борьбе с импульсными помехами;
L1, L3, R3, R4 – элементы входного фильтра помех (кондуктивные, импульсные);
VD1 – выпрямительный мост;
C2, C3, VD2…VD4, R5 – элементы корректора «Valley fill»;
C4 – входной конденсатор buck-конвертера;
R6, R8 – резисторы, обеспечивающие питание микросхемы;
R7 – резистор, устанавливающий порог защиты по превышению выходного напряжения (при обрыве светодиодной линейки);
C5 – конденсатор по питанию микросхемы;
DA1 – микросхема понижающего преобразователя со встроенным силовым MOSFET-ом;
R9, R10 – резисторы токового шунта;
VD5 – силовой диод buck-конвертера;
L3 – силовой дроссель buck-конвертера;
C6 – выходная ёмкость.
Выбор элементов
Предохранитель. Долго искать не пришлось, компактный SMD предохранитель 25F-010H от компании Hollyland всего за 0,048$.
Варистор. Тут мне пришлось попотеть. Кажется, теперь знаю всех производителей SMD варисторов в Китае и Тайване. Из того, что подходит и доставабельно составил список и квотировал такие элементы:
В результате даже китайские цены ужаснули, пришлось отказаться от SMD в данном случае и выбор пал на варистор TVR05391KSY за 0,027$.
Европейских производителей тоже рассматривал, например, у Epcos есть SMD-варисторы, но ещё дороже, к сожалению.
Х-конденсатор. SMD-варианты для таких конденсаторов очень дороги, поэтому 0,1 мкФ 10% 300В X2 J104K300A100 от ведущего мирового производителя Chiefcon – лучший выбор за 0,036$.
Электролитические конденсаторы. Выбор SMD-электролитов на 200В не так велик, а те что есть оказались гигантского размера. Рассмотрел серии «VE», «VEJ» от Lelon, «ULR», «UUG», «UUJ» от Nichicon и тд. 10 мкФ в габарите 12,5х13,5 меня не устраивали. В результате наткнулся на интересного китайского производителя Ymin, у которого на сайте написано «Small expert».
И действительно, серия VKM, 12 мкФ в габарите 8х12,5 – отличный вариант и всего за 0,046$ за шт. Дайте два.
Диоды. Диодный мост MB6S (0,028), силовой диод выбрал типа ES1J – тут всё стандартно, а вот диоды для «Valley fill» хотелось выбрать поменьше габаритами и я нашёл очень интересный вариант GS10xxFL от PANJIT. Диоды на напряжения до 1000В в корпусе SOD-123, вы шутите? Нет, они существуют. В результате GS1006FL всего по 0,019$.
Найти такие же ультрафасты и может быть применить и в качестве силового диода для понижалки. Эту идею я оставил до проведения тепловых испытаний. Если ES1J не будет греться, то можно будет об этом подумать.
Дроссели. Изначально обратился к евробрендам, но квотирование показало, что самое недорогое из того, что мне подходит это SRR1208 за 0,28$ от Bourns. Даже Wurth не предложили дешевле чем примерно 0,3$. Это речь идёт о силовом дросселе. В результате я повернул вектор поиска в сторону азиатских брендов.
Просмотрев и проквотировав продукцию таких контор как Ferriwo, ABC Taiwan, Fuantronics, Coilmaster, я остановился на варианте SRI1207 от тайваньской компании Coremaster. Всего за 0,142$.
Микросхема. Решил остановить свой выбор на компании BPS, так как у них большое портфолио в области микросхем для LED-драйверов, встречал их продукцию во многих устройствах, и, к тому же есть дистрибьютор в России – компания «Платан». Я выбрал микросхему со встроенным силовым ключом BP2832AJ – у неё есть pin-2-pin совместимые «старшие братья» (или «сёстры», простите моё гендерное невежество) BP2833 и BP2836 с меньшим сопротивлением канала встроенного MOSFET-а (если вдруг понадобиться увеличить мощность или получить больший КПД). К тому же эту микросхему можно купить в РФ.
0,81$ – неплохой результат для первой версии. Есть небольшой запас – ведь вы знаете как это бывает, после проведения испытаний первой итерации платы обычно вылезает какое-нибудь… несоответствие, и, приходится добавлять несколько «волшебных» элементов по три бакса каждый.
Заключение
Как уменьшить кондуктивные помехи не добавляя новые элементы в схему? Почему в корректоре «Valley fill» нельзя применять тонкоплёночные резисторы? Как увеличить световую отдачу светильника без увеличения КПД LED-драйвера? Ответы на эти и другие вопросы вы узнаете из следующей статьи. Статья будет посвящена испытаниям, которые автор вместе с первой итерацией платы должны будут пройти, а также разработке второй итерации устройства.
Power is cool — deal with it.
- led
- led driver
- led driver design
- светодиодный светильник
- силовая электроника
- разработка электроники
- power supply design
Источник: habr.com