O FIRMIE

SKLEP INTERNETOWY

KATEGORIE PRODUKTÓW

Artykuły techniczne

« lista atykułów »

ArtykułNietypowe metody zasilania diod LED

Postęp techniczny i nowe regulacje mocno zmieniają rynek oświetleniowy. Potrzeba zastąpienia tradycyjnych żarówek czy świetlówek ich półprzewodnikowym odpowiednikiem stawia konstruktorów przed wieloma wyzwaniami, z których dwa największe to wytwarzane ciepło i rozmiar układu zasilającego. Kolejne innowacyjne projekty biją rekordy parametrów technicznych. Są jednak aplikacje, w których lepiej sprawdzają się proste ale nietypowe rozwiązania. Prezentujemy kilka takich właśnie niesztampowych układów.

Spora część niskobudżetowych aplikacji oświetleniowych, to nieskomplikowane układy, w których stosuje się dużą ilość małych diod LED i uproszczoną regulację prądu. Taka budowa jest efektem kompromisu pomiędzy ceną a parametrami użytkowymi, jak sprawność energetyczna i jakość światła. Diody LED o małym prądzie pracy są bardziej odporne na niewłaściwe sterowanie od diod wysokiej jasności, co wykorzystują producenci żarówek diodowych drastycznie upraszczając układy zasilania. O ile proste zasilanie, nawet takie z wykorzystaniem szeregowej rezystancji lub reaktancji pojemnościowej nie zagrażają żywotności struktury półprzewodnikowej, to jakość uzyskiwanego światła, z racji zauważalnego efektu stroboskopowego, bywa niewystarczająca. Praktyka wymaga tu kompromisu: im mniej efektu stroboskopowego, tym sprawność energetyczna mniejsza. Ponadto współczynnik mocy takiego układu wynosi ok. 0.4-0.5. Nie stoi to w sprzeczności z regulacjami prawnymi ale wartość ta jest stanowczo za niska, by uzyskać np. etykietę Energy Star.

Pod względem stabilności strumienia światła (choć niekoniecznie współczynnika mocy) lepiej sprawdzają się przetwornice impulsowe, jednak ani ich cena ani tym bardziej długowieczność, ograniczona trwałością kondensatorów elektrolitycznych, nie jest satysfakcjonująca.

Sprytny szeregowy regulator prądu

Z drugiej strony w niskonapięciowych aplikacjach z diodami LED o małej mocy znakomicie sprawdzają się szeregowe regulatory prądu. Nie przeszkadza ich niska prawności energetyczna, rekompensowana przez małe wymiary i łatwość stosowania. Intuicja podpowiada jednak, że podobne rozwiązanie nie sprawdzi się w wysokonapięciowym układzie zasilanym z napięcia zmiennego.

Gdyby jednak łańcuch diod (np. 100 białych diod LED) podzielić na odcinki i spowodować, by zawsze świeciło ich z grubsza tyle, na ile wystarczy chwilowej wartości napięcia sieciowego, sytuacja mogłaby wyglądać lepiej. Napięcie o wartości 125V wystarczy do zapalenia 40 diod, przy 310V można zapalić wszystkie 100 sztuk. Straty mocy na regulatorze prądu są przy tym niewielkie, sprawność energetyczna zadowalająca (nawet do 90%) a efekt stroboskopowy nieznaczny.

Powyższy pomysł wykorzystano przy projektowaniu sekwencyjnych liniowych stabilizatorów prądu CL8800/CL8801. Przyjrzymy się bliżej budowie układu CL8800. Układ przeznaczony jest do pracy w sieci prądu zmiennego o napięciu 230V i pozwala podzielić łańcuch diod na 6 odcinków.

Rys. 1. Schemat aplikacyjny układu CL8800Rys. 2. Przebieg prądu pracy łańcucha diod LED (z materiałów Supertex Inc.)

W strukturze układu zamknięto sześć regulatorów prądu, z których każdy włącza się w innym przedziale wartości napięcia zasilania. Pierwszy odcinek (TAP1) zapala się, gdy tylko napięcie wejściowe przewyższy napięcie przewodzenia umieszczonych w nim diod LED. Gdy wartość napięcia pozwala zapalić kolejny odcinek, pierwszy regulator wyłącza się a sterowanie odcinków 1 i 2 przejmuje regulator TAP2, dodatkowo podwyższając prąd pracy. Wraz ze wzrostem napięcia włączają się kolejne regulatory a ich poprzednicy wyłączają się. W konsekwencji przełączenia zmienia się "długość" aktywnej części łańcucha diod LED. Każdy z regulatorów ma przy tym niezależną regulację prądu pracy (od 40mA dla TAP1 do 115mA dla TAP3-TAP6). O wartości prądu decyduje wartość odpowiedniego rezystora ustawiającego Rset.

Niezależna regulacja prądu źródeł pozwala na kształtowanie charakterystyki napięciowo-prądowej całego układu (rys.2.), zarówno w celu ograniczenia mocy strat w układzie, jak i dla regulacji wartości współczynnika mocy. Wartość każdego z tych parametrów ma duże znaczenie, bo układ potrafi dostarczyć do obciążenia moc sięgająca 13W.

Możliwe jest uzyskanie współczynnika mocy ok. 0.9 i współczynnika zawartości harmonicznych THD niższego niż 10%. Takie wartości wystarczają do uzyskania etykiety Energy Star. Układ zamknięty jest w małej obudowie QFN wyposażonej w radiator a największym elementem układu okazuje się być filtr przeciwzakłóceniowy. O ile w układzie filtra przeciwzakłóceniowego nie musi być obecny kondensator, to producent zaleca stosowanie warystorów lub diod zabezpieczających do wygładzania przepięć.

Płytka ewaluacyjna ConCL8801 z CL8800 i Osram DURIS™ E3

Źródła światła małej mocy

Małe źródło światła, jak np. stosowana w automatyce lampka kontrolna, wymaga specyficznego, bardzo zwartego układu zasilającego. Nie potrzebuje za to dużej mocy. Pomocne jest, jeśli lampka może pracować w szerokim zakresie napięć wejściowych. Jedynie zastosowanie stabilizatora impulsowego pozwala zbudować aplikację wystarczająco kompaktową i zdolną do utrzymania stałej jasności świecenia w szerokim zakresie napięć. Jednak układy impulsowe rzadko działają dobrze z tak małym obciążeniem.

Wykonanie sieciowego stabilizatora impulsowego dla 1-2 diod LED jest o tyle utrudnione, że napięcia nie można obniżać w nieskończoność. Typowy stabilizator obniżający z pojedynczą cewką pozwala na kilku-kilkunastokrotne obniżenie napięcia (zasada ta nie dotyczy przetwornic wyposażonych w więcej niż jedno uzwojenie robocze). Wynika to ze specyfiki pracy klucza półprzewodnikowego, a dokładnie zależy od czasów otwarcia i zamknięcia klucza.

Za przykład posłuży wysokonapięciowy stabilizator impulsowy HV9921. Może on pracować z napięciem wejściowym UIN do 500V i dostarcza stabilizowany prąd wyjściowy o nieregulowanej wartości IOUT = 30mA. Co ważne, pracuje ze stałą wartością czasu otwarcia klucza TOFF.

Rys. 3. Schemat zastępczy impulsowego stabilizatora obniżającego napięcieRys. 4. Schemat aplikacyjny wysokonapięciowego stabilizatora obniżającego ze stabilizacją prądu
HV9921 ma następujące parametry pracy klucza:
  • czas zamknięcia TOFF> = 10,5us,
  • minimalny czas otwarcia TONmin = 650ns.

Wartość minimalnego czasu otwarcia klucza wynika z kilku czynników, np. szybkości reakcji komparatora w układzie sprzężenia zwrotnego i obecności filtru wygładzającego zakłócenia pojawiające się w momencie włączenia klucza, które mogą zafałszować wynik pomiaru wartości prądu.

W fazie włączenia klucza następuje szybki przyrost prądu cewki roboczej wynikający z wysokiej wartości napięcia wejściowego UIN, a postępującego według zależności

di = dU*dt/L.

W fazie otwarcia klucza prąd cewki spada z szybkością zależną od napięcia, jakie indukuje się na obciążeniu, którym są diody LED i dioda prostownicza (rys. 3.). Im większa jest różnica pomiędzy UIN i UOUT, tym większa dysproporcja pomiędzy szybkością zmiany prądu w każdym ze stanów.

Jeśli:

dU = L * di/dt,

to przy napięciu zasilania (przyjmujemy najtrudniejszy przypadek, czyli maksymalną wartość chwilową wyprostowanego napięcia sieciowego, tj. UINmax=325V, choć w rzeczywistości jest ona niższa a wartość napięcia przewodzenia łańcucha diod LED) i przy założeniu braku strat energetycznych minimalne napięcie wyjściowe wynosi:

UOUTmin= UINmax*TONmin /TOFF = 325 V * 650ns / 10,5us ~ 20V.

Uzyskana wartości napięcia to wartość dobra dla lampki kontrolnej, gdzie stosuje się kilka diod LED połączonych szeregowo. Jednak drobne punkty świetlne (np. dyskretne podświetlenie panelu kontrolnego) może wymagać jeszcze mniejszych mocy (napięć).

W stabilizatorze HV9821 wprowadzono zmiany, które pozwalają zasilać pojedynczą diodę LED z napięcia sieciowego 230V AC. W układ wbudowano pośredni liniowy stabilizator napięcia, który zasila stopień impulsowy. O napięciu wyjściowym stabilizatora liniowego decyduje napięcie znamionowe zewnętrznej diody Zenera (UDZ). W zakresie napięć wejściowych od 10V do UDZ , stabilizator pracuje jak klasyczny stabilizator impulsowy obniżający napięcie. Po przekroczeniu napięcia diody Zenera, wyjściowy stopień impulsowy kluczuje napięcie o wartości UDZ. Układ ma możliwość regulacji kilku parametrów pracy, w tym prądu wyjściowego w zakresie do 50mA i czasu wyłączenia klucza TOFF. Przy TOFF = 20us minimalne napięcie wyjściowe redukuje się do 3V i jest odpowiednie do zasilania pojedynczego złącza kolorowej diody LED (rys. 5.)

Rys. 5. Schemat aplikacyjny wysokonapięciowego stabilizatora obniżającego do b. małych mocyRys. 6. Lampka kontrolna z układem HV992x

Aplikacja jest niewielka i nie sprawia kłopotów z uruchomieniem. Przykładowe wykonanie lampki kontrolnej z układem HV9921 przedstawia rys. 6 (autor dziękuje firmie Elplast za udostępnienie modelu). Największym elementem układu (poza zespoloną diodą LED) jest cewka o objętości ok. 0.7cm3.

« lista atykułów »