Авторам Сделать РадиоЛоцман стартовой страницей
»Все»Новости»Статьи»Схемы»Книги»Сайты»DataSheet»Приборы»Программы»Цены»Форум   РадиоЛоцман
en
расширенный поиск + все об электронике
Срез:Светотехника

19-12-2012

Импульсный источник питания светодиодов на микросхеме TOP242

Mincior Vicentiu, Румыния.

В корпус обычного блока питания с трансформатором, рассчитанным на нагрузку 500 мА (Рисунок 1), поместился импульсный источник питания (ИП) светодиодов мощностью 10 Вт

Зарядное устройство с сетевым трансформатором
Рисунок 1. Зарядное устройство с сетевым трансформатором

За основу взята схема импульсного AC/DC преобразователя на микросхеме TOP242 (U1). Для стабилизации тока применен сдвоенный компаратор LM393 (U3) на стороне низкого напряжения (Рисунок 2).

Принципиальная схема импульсного ИП светодиодов
Кликните для увеличения
Рисунок 2. Принципиальная схема импульсного ИП для светодиодов

Контур печатной платы ИП повторяет геометрию корпуса трансформаторного блока питания (Рисунок 3).

Печатная плата импульсного преобразователя на TOP242 с SMD оптопарой
а)
Печатная плата импульсного преобразователя на TOP242 с выводной оптопарой
б)
Рисунок 3. Печатная плата импульсного преобразователя на TOP242 с SMD (а) и выводной (б) оптопарами.

Почему выбрана микросхема TOP242?

Интегральная микросхема TOP242 – это высококачественное устройство управления обратноходовым импульсным преобразователем. Микросхема содержит внутренние схемы защиты от перегрева и превышения мощности, так что сжечь ее совсем не просто. Когда какой-либо параметр превышает установленный порог, TOP242 автоматически блокируется и только спустя несколько секунд возвращается к нормальной работе.

Описание схемы ИП на TOP242

Резистор R1 ограничивает ток заряда конденсатора С2, тем самым защищая микросхему TOP242Y в момент коммутации при включении ИП. Дроссель Tr1 и конденсатор C1 образуют сетевой фильтр, задача которого минимизировать проникающие в сеть высокочастотные шумы от преобразователя. Резисторы R2 и R3 разряжают конденсатор C2, когда ИП отключается от сети 220 В. После мостового выпрямителя Br1 с конденсатора C2 снимается постоянное напряжение 300 В, которое подается на трансформатор Tr2 и микросхему TOP242Y.

Резистор R7, стабилитрон D5 и диод D6 образуют схему защиты TOP242 от перенапряжений, источником которых служит ЭДС первичной обмотки трансформатора. Это стандартная защита, без которой силовой MOSFET транзистор в TOP242 может быть пробит в момент запирания. Таким образом, избыточная энергии ЭДС самоиндукции Tr2 гасится, а часть ее рекуперируется. Резиcтор R4, подключенный к выводу X микросхемы U1, задает порог ограничения тока через высоковольтный транзистор в TOP242, а значит и максимальный ток через первичную обмотку трансформатора.

Диод D8 и конденсаторы С8, С9 запитывают выход оптопары U2 (цепь смещения). Диод D7 и конденсаторы С6, С7, C11 образуют выпрямитель напряжения и фильтр на выходе преобразователя.

Использование в схеме сдвоенного компаратора LM393 позволило реализовать стабилизатор тока с обратной связью по напряжению на нагрузке.

Управляемый стабилитрон TL431 служит источником опорного напряжения 2.5 В. Через резистивный делитель R10, R12, R13 опорное напряжение поступает на неинвертирующие входы компараторов. Переменными резисторами Rv1 и Rv2 устанавливается напряжение на инвертирующих входах LM393.

Работа схемы

Выходы компараторов с открытым коллектором LM393 подтянуты к положительному питанию резистором R9. Если на инвертирующем входе любого из компараторов напряжение превышает опорное, соответствующий выход устанавливается в ноль, а напряжение на выходе ИП минимально и равно 4 В. Максимальное напряжение на выходе ИП получается, если выходы обоих компараторов заперты.

Предположим, что в начальный момент времени после включения преобразователя напряжение на конденсаторе С11 равно нулю, т.е. Uвых = 0 В, нагрузка не подключена, и током преобразователя можно пренебречь. Значит, на инвертирующем входе 2 микросхемы U3 по цепочке R16, Rv1, R19 установился нулевой потенциал. В этот момент фототранзистор оптрона U2 заперт, и напряжение на конденсаторе С11 начинает подниматься до максимального значения.

Потенциометром Rv1 устанавливается порог напряжения на выходе преобразователя, при котором потенциал на инвертирующем входе 2 превысит опорное напряжение, поданное с делителя R10, R12, R13 на вход 3 компаратора. Как только на C11 напряжение превысит установленное значение, фототранзистор на выходе оптрона U2 откроется, и на вход C (вывод 1) микросхемы TOP242 будет подано управляющее напряжение и обеспечена обратная связь. Изменится скважность ШИМ на выходе D (вывод 6) TOP242, а напряжение на выходе ИП будет уменьшаться до тех пор, пока на входе 3 компаратора потенциал не станет ниже опорного напряжения. Оптрон U2 закроется и контроллер ШИМ в TOP242 начнет увеличивать скважность импульсов управления высоковольтным транзистором. Таким образом стабилизируется напряжение на выходе ИП.

За счет подобной обратной связи выход 1 компаратора U3 будет переключаться с частотой, определяемой быстродействием схемы управления, интегрированной в TOP242. Для сглаживания пульсаций напряжения на оптроне U2 и выходе ИП используется конденсатор С5.

До тех пор, пока к выходу ИП не подключена нагрузка, падение напряжения на датчике тока R18 равно нулю и напряжения на движке потенциометра Rv2 и аноде U1 (TL431) равны. И поскольку потенциал на неинвертирующем входе 5 второго компаратора U3 больше, чем на входе 6, выход 7 LM393 заперт и не влияет на работу преобразователя.

Что же произойдет при подключении нагрузки к ИП? Потенциометр Rv1 задает напряжение Uвых. Как только выход преобразователя будет нагружен 10-ваттным светодиодом, на R18 возникнет падение напряжения. Часть снятого с R18 напряжения через потенциометр Rv2 и резистор R20 подается на инвертирующий вход 6 компаратора U3. Номинал резистора R13 (1 кОм) выбран соразмерно падению напряжения на резисторе R18, равному 100…200 мВ.

Когда потенциал на входе 6 компаратора U3 превысит заданный на входе 5 порог ограничения выхода ИП по току, выход 7 компаратора откроется и фототранзистор оптрона U2 насытится. Таким образом, стабилизируется ток на выходе ИП. Аналогично, ШИМ контроллер в TOP242 опустит напряжение на выходе ИП до нужного уровня, поскольку обратная связь осуществляться по току через R18. А значит, пульсирующий ток через светодиод поддерживается на одном уровне. Частота пульсаций тока на выходе ИП задается конденсатором C5, положением движка потенциометра Rv2 и резистором R18.

Описанный преобразователь позволяет регулировать ток и напряжение. Но следует учесть, что ИП не может поддерживать оба параметра постоянными одновременно. То есть, изначально преобразователь работает в режиме стабилизации напряжения (без нагрузки, когда стабилизация по току не требуется). Когда же появляется нагрузка, преобразователь переходит в режим стабилизации тока, по-прежнему ограничивая напряжение на уровне, при котором через нагрузку протекает заданный ток.

Ниже приведены несколько снимков платы ИП в сборе (Рисунок 4).

Общий вид собранной платы со стороны SMD монтажа Общий вид собранной платы со стороны элементов
Общий вид собранной платы со стороны элементов Общий вид корпуса ИП
Рисунок 4. Общий вид собранной платы и корпуса ИП 

Данные для намотки трансформатора типоразмера EE19 приведены на Рисунке 5.

Импульсный трансформатор
Рисунок 5. Геометрия импульсного трансформатора

Загрузки

  1. Печатная плата в формате Sprint Layout 6.0 для «TOP242 constant current LED source» - загрузить.

На английском языке: TOP242 power source for 10W LEDs

Перевод: Антон Юрьев по заказу РадиоЛоцман

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • На какую мощность был трансформаторный БП? Некорректно сравнивать миллиамперы и ватты.
  • Здесь использовался только корпус(конструктив)-говорится-же,любой тр-рный БП...
  • Действительно не корректно сравнивать [мА] и [Вт], но автор не зря указал макс. ток трансформатора ИП. Дело в том, что на последнем снимке на шильдике корпуса видна исходная мощность – 6 ВА. К тому же, автор схемы утверждает, что является радиолюбителем с 30-летним стажем. Несколько «изюминок» схемы, на которые можно обратить внимание. Во-первых – это сквозной разрез в плате под оптопарой, который уменьшает вероятность опасного пробоя, поскольку в быту всякое случается. На самом деле это немаловажно, поскольку в стандартах по безопасности специально оговариваются допустимые для конкретных условий расстояния между проводниками на плате, а также выводами оптопар. Не считая напряжения пробоя самих оптронов (потолок, например 2 кВ, зависит от конкретного приложения). А есть приложения, в которых вообще запрещено использовать оптроны в SMD корпусах, например, соответствующие организации могут не выдать сертификат по искробезопасности. Не говоря о самых жёстких требованиях – использовать оптроны с открытым каналом. Во-вторых – это незаурядное использование микросхемы TOP242. В линейке преобразователей TOP2xx несколько десятков микросхем, чаще всего использующиеся по стандартной схеме из даташита. Вот, например. Собрать ИП с ограничением по току на обратноходовом преобразователе – идея не новая (см. даташит), но сделать стабилизатор тока с "активной" ОС на компараторах LM393/ LM2903 + ИОН TL431 + резистор (ОС всего за 0.25$) обычно затруднительно. Автору это удалось, как мне кажется. Схему можно использовать как reference design по отношению к любому ШИМ контроллеру. Также стоит внимательно отнестись к защите самой TOP242 со стороны сети 220В. Хоть эта микросхема и имеет ряд встроенных защит, высоковольтный полевой ключ мало защищён. Не лишним будет плавкий предохранитель и варистор.
  • А. зачем обмотку 3 -4 мотать в два провода, ведь там ток небольшой?
  • Возможно, такая намотка продиктована геометрическими соображениями и обмотка равномерно заполняет окно сердечника полным слоем.
  • Юнпер antonydublin Намотка трансформатора несколькими параллельными проводами вызна необходимостью устранить СКИН эффект
  • Да, lllll, это была первая мысль. В случае с силовой обмоткой это очевидно. Но в случае со второй, обмоткой смещения, несколько не понятно это требование. Её можно выполнить и одним проводом гораздо меньшего диаметра. К тому же, что не критично, нет никаких рекомендаций по экранированию трансформатора.
  • Смотрите "ширше"-это технологичность-шпулю,без смены провода-проще мотать...
  • Не надо изобретать велосипед здесь всё расписано: http://www.powerint.com/en/products/...e/topswitch-gx
  • Это же импульсник - во-первых ЭДС наводится на поверхности провода, а не во всем его объеме и 2 провода параллельно (PiD+PiD) экономят 2х кратное увеличение диаметра провода. Во-вторых ЭДС наводится пропорционально во всех обмотках, поэтому загрузка в основной обмотке косвенно сказывается на падении в обмотке смещения, чем меньше ЭДС в обмотке смещения вследствие более тонкого провода, тем быстрее накапливается напряжение ошибки и тем выше вероятность ложных срабатываний и МС начинает работать с отклонением от штатного режима. Обмотка смещения однозначно должна мотаться по мощности пропорционально мощности основной выходной. В серии LinkSwitch например (у них же) контроль тока в выходной обмотке выполняется косвенно по падению ЭДС в обмотке смещения и если +-5% по току для LED вам будет достаточно, то правильно намотав обм.смещения можно операционник выкинуть (молчу уже про то что есть дальнейшее развитие любимой TL431 с контролем тока и напряжения в sot23 корпусе в т.ч). А в идеале нужно юзать серию PH - без электролитов на высокой стороне, коэффициент утилизации мощности близок к 1
Полный вариант обсуждения »
Рекомендуемые публикации по теме:
Схемы  »
Микросхемы для импульсных источников питания
Форум  »
Обсуждение: Микросхемы для импульсных источников питания и их применение
Книги  »
Микросхемы для современных импульсных источников питания - 2
Книги  »
Микросхемы для современных импульсных источников питания
Книги  »
Микросхемы для импульсных источников питания и их применение

При перепечатке материалов с сайта прямая ссылка на РадиоЛоцман обязательна.

Приглашаем авторов статей и переводов к публикации материалов на страницах сайта.