Бестрансформаторная схема драйвера светодиодов для надежных недорогих светодиодных ламп

Говорят, что светодиодные лампы на 80% эффективнее других традиционных вариантов освещения, таких как люминесцентные лампы и лампы накаливания. Быстрая адаптация светодиодных ламп уже заметна вокруг нас, и глобальная рыночная стоимость светодиодных ламп достигла примерно 5,4 миллиарда долларов в 2018 году. Проблема при разработке этих светодиодных ламп заключается в том, что светодиодный свет, как мы знаем, работает от постоянного напряжения и сети Источник питания переменного тока, поэтому нам необходимо разработать схему драйвера светодиода, которая могла бы преобразовывать сетевое напряжение переменного тока в подходящий уровень постоянного напряжения, необходимого для светодиодной лампы. В этой статье мы разработаем такую практичную недорогую схему драйвера светодиода с использованием коммутационной микросхемы LNK302 для питания четырех светодиодов (последовательно), которые могут обеспечить 200 люмен, работающих при 13,6 В и потребляющих около 100–150 мА.

Предупреждение: прежде чем мы двинемся дальше, очень важно убедиться, что вы очень осторожно работаете с сетью переменного тока. Схема и детали, представленные здесь, были протестированы и обработаны экспертами. Любая авария может привести к серьезным повреждениям и даже к летальному исходу. Работайте на свой страх и риск. Вы были предупреждены.

Схема бестрансформаторного питания

Очень грубая схема драйвера светодиода может быть построена с использованием метода конденсаторной капельницы, как мы это делали в нашем предыдущем проекте бестрансформаторного источника питания. Хотя эти схемы все еще используются в некоторых очень дешевых электронных продуктах, они страдают множеством недостатков, которые мы обсудим позже. Следовательно, в этом руководстве мы не будем использовать метод Capacitor Dropper, а вместо этого создадим надежную схему драйвера светодиода с использованием переключающей ИС.

Недостаток схемы конденсаторно-капельного бестрансферного источника питания

Этот тип бестрансформаторной схемы питания дешевле стандартного импульсного источника питания из-за небольшого количества компонентов и отсутствия магнитных полей (трансформатора). Он использует схему капельницы конденсатора, которая использует реактивное сопротивление конденсатора для падения входного напряжения.

Хотя этот тип бестрансформаторной конструкции оказывается очень полезным в определенных случаях, когда стоимость производства конкретного продукта должна быть ниже, конструкция не обеспечивает гальванической развязки от сети переменного тока и, следовательно, должна использоваться только в продуктах, которые не вступают в прямой контакт. с людьми. Например, его можно использовать в светодиодных светильниках высокой мощности, корпус которых сделан из твердого пластика, и никакая часть схемы не подвергается воздействию пользователя после установки. Проблема с этими типами цепей заключается в том, что в случае отказа блока питания он может отражать высокое входное переменное напряжение на выходе, что может стать смертельной ловушкой.

Другой недостаток состоит в том, что эти схемы ограничены низким номинальным током. Это связано с тем, что выходной ток зависит от номинала используемого конденсатора, для более высокого номинального тока необходимо использовать конденсатор очень большой емкости. Это проблема, поскольку громоздкие конденсаторы также увеличивают пространство на плате и увеличивают стоимость производства. Кроме того, схема не имеет схемы защиты, такой как защита от короткого замыкания на выходе, защита от перегрузки по току, тепловая защита и т. Д. Если их нужно добавить, это также увеличивает стоимость и сложность. Даже если все сделано хорошо, они ненадежны.

Итак, вопрос в том, есть ли какое-либо решение, которое может быть более дешевым, эффективным, простым и меньшим по размеру вместе со всеми схемами защиты для создания неизолированной схемы драйвера светодиодов высокой мощности переменного тока в постоянный? Ответ - да, и это именно то, что мы собираемся построить в этом уроке.

Выбор правильного светодиода для вашей светодиодной лампы

Первым шагом в разработке схемы драйвера светодиодной лампы является выбор нагрузки, то есть светодиода, который мы собираемся использовать в наших лампах. Те, которые мы используем в этом проекте, показаны ниже.

Светодиоды в указанной выше полосе представляют собой 5730 пакетов холодных белых светодиодов мощностью 0,5 Вт со световым потоком 57 лм. Вперед напряжение 3.2V минимальной до максимальной 3.6V с передним тока от 120 до 150 мА. Следовательно, для получения 200 люмен света можно использовать 4 светодиода последовательно. Требуемое напряжение этой полосы будет 3,4 x 4 = 13,6 В, а ток 100-120 мА будет течь через каждый светодиод.

Вот схема светодиодов последовательно -

LNK304 - ИС драйвера светодиода

Для этого приложения выбрана микросхема драйвера LNK304. Он может успешно обеспечить необходимую нагрузку для этого приложения вместе с автоматическим перезапуском, коротким замыканием и тепловой защитой. Характеристики можно увидеть на изображении ниже -

Выбор других компонентов

Выбор других компонентов зависит от выбранной микросхемы драйвера. В нашем случае, в таблице данных, в эталонной конструкции используется однополупериодный выпрямитель с двумя стандартными восстанавливающими диодами. Но в этом приложении мы использовали диодный мост для двухполупериодного выпрямления. Это может увеличить стоимость производства, но, в конце концов, компромиссы в конструкции также имеют значение для надлежащей передачи мощности по нагрузке. Принципиальную схему без значений можно увидеть на изображении ниже, теперь давайте обсудим, как выбрать значения.

Итак, для этого приложения выбран диодный мост BR1 DB107. Однако для этого приложения также можно выбрать диодный мост 500 мА. После диодного моста используется пи-фильтр, где требуются два электролитических конденсатора вместе с индуктором. Это исправит постоянный ток, а также уменьшит электромагнитные помехи. Конденсаторы, выбранные для этого приложения, представляют собой электролитические конденсаторы 10 мкФ, 400 В. Значения должны быть выше 2,2 мкФ 400 В. В целях оптимизации затрат лучшим выбором может быть 4,7–6,8 мкФ.

Для индуктора рекомендуется более 560 мкГн при номинальном токе 1,5 А. Следовательно, C1 и C2 выбраны равными 10 мкФ, 400 В, а L1 - 680 мкГн, а диодный мост DB107 1,5 А для DB1.

Выпрямленный постоянный ток подается на микросхему драйвера LNK304. Контакт байпаса должен быть подключен к источнику с помощью конденсатора 0,1 мкФ 50 В. Следовательно, C3 - керамический конденсатор емкостью 0,1 мкФ 50 В. D1 должен быть сверхбыстрым диодом с временем обратного восстановления 75 нс. Он выбран как UF4007.

FB - это вывод обратной связи, а резисторы R1 и R2 используются для определения выходного напряжения. Опорное напряжение через FB штырь 1.635V, микросхема переключает выходное напряжение, пока она не получает это опорное напряжение на его штифте обратной связи. Поэтому, используя простой калькулятор делителя напряжения, можно выбрать номинал резисторов. Таким образом, для получения выходного напряжения 13,6 В значение резистора выбирается по следующей формуле

Vout = (Напряжение источника x R2) / (R1 + R2)

В нашем случае Vout составляет 1,635 В, напряжение источника - 13,6 В. Мы выбрали значение R2 как 2,05k. Итак, R1 составляет 15к. В качестве альтернативы вы можете использовать эту формулу для расчета напряжения источника. Конденсатор С4 выбран на 10 мкФ 50 В. D2 - стандартный выпрямительный диод 1N4007. L2 такой же, как L1, но ток может быть меньше. L2 также составляет 680 мкГн с номиналом 1,5 А.

Конденсатор выходного фильтра C5 выбран на 100 мкФ 25 В. R3 - это минимальная нагрузка, которая используется в целях регулирования. Для регулирования нулевой нагрузки выбрано значение 2,4k. Обновленная схема вместе со всеми значениями показана ниже.

Работа бестрансформаторной схемы драйвера светодиода

Полная схема работает в топологии коммутации индуктивности MDCM (режим большей части прерывистой проводимости). Преобразование переменного тока в постоянное осуществляется диодным мостом и пи-фильтром. После получения выпрямленного постоянного тока этап обработки мощности выполняется LNK304 и D1, L2 и C5. Падение напряжения на D1 и D2 практически одинаково, конденсатор C3 проверяет выходное напряжение и в зависимости от напряжения на конденсаторе C3 воспринимается LNK304 с помощью делителя напряжения и регулирования коммутируемого выхода на выводах истока.

Создание схемы драйвера светодиода

Все компоненты, необходимые для построения схемы, кроме индукторов. Следовательно, мы должны намотать собственный индуктор с помощью эмалированной медной проволоки. Теперь существует математический подход для расчета типа сердечника, толщины провода, количества витков и т. Д. Но для простоты мы просто сделаем несколько витков с имеющейся катушкой и медным проводом и используем измеритель LCR, чтобы проверить, достигли ли мы требуемое значение. Поскольку наш проект не очень чувствителен к величине индуктивности и номинальный ток низкий, этот грубый способ будет работать нормально. Если у вас нет измерителя LCR, вы также можете использовать осциллограф для измерения значения индуктивности с помощью метода резонансной частоты.

На изображении выше показано, что катушки индуктивности проверены и их значение превышает 800 мкГн. Он используется для L1 и L2. Для светодиодов также изготавливается простая медная плата. Схема построена на макете.

Тестирование схемы драйвера светодиода

Схема сначала тестируется с использованием VARIAC (переменного трансформатора), а затем проверяется при универсальном входном напряжении, равном 110/220 В переменного тока. Мультиметр слева подключается к входу переменного тока, а другой мультиметр справа подключается к одному светодиоду для проверки выходного постоянного напряжения.

Показания снимаются при трех различных входных напряжениях. Первый в левой части показывает входное напряжение 85 В переменного тока, а на одном светодиоде он показывает 3,51 В, в то время как напряжение светодиода на разных входных напряжениях немного меняется. Подробное рабочее видео можно посмотреть ниже.