Новая технология светодиодного освещения с использованием H-моста

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2013

Subodh Johri и Prateek Johri, Индия

EDN

Н-мост является классической схемой, применяемой для управления двигателями постоянного тока. C помощью четырех дискретных, интегральных или электромеханических ключей мост позволяет изменять направление вращения двигателя или посредством ШИМ регулировать его скорость. Эта технология широко используется в робототехнике и силовой электронике. В статье предлагается новая область применения Н-моста для питания ленты белых светодиодов непосредственно от сети переменного тока в режиме двухполупериодного ограничения тока, что позволяет создать энергоэффективную твердотельную лампу, работающую без мерцания. С помощью двух электронных ключей, поочередно работающих во время положительной и отрицательной полуволн питающего напряжения, схема регулирует и поддерживает на постоянном уровне возбуждающий светодиоды ток. Такой подход облегчает управляемое током выпрямление переменного напряжения для питания последовательной цепочки светодиодов при незначительных пульсациях и существенно улучшенном коэффициенте мощности.

Из транзисторов Q₁, Q₃, Q₅ и диода D₄ (Рисунок 1) сформирован один, а из Q₂, Q₄, Q₆ и D₃ – второй управляемый напряжением токовый ключ. Ключи образуют верхнее и нижнее плечи H-моста. Два других плеча представлены диодами D₁ и D₂. Светодиодная цепочка подключается к средним точкам плеч, обозначенным как V_LED+ и V_{LED_GND}. Переменное напряжение подводится к схеме через токоограничивающий резистор R₅ с положительным температурным коэффициентом сопротивления, последовательно соединенные конденсаторы C₄ и C₅ (формирующие неполярный конденсатор C_EFF) и катушку L₁. Кроме того, нейтраль сети соединена с землей схемы через катушку L₂.

Рисунок 1.	Токоограничивающие транзисторы и диоды поочередно каждый полупериод подводят питание к цепочке светодиодов.

Во время положительного полупериода потенциал ШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ становится положительным относительно ЗЕМЛИ, и на базу транзистора Q₁ через резистор R₁ подается открывающее смещение. Ток течет через диод D₄, транзистор Q₁ и резистор R₃, как показано стрелкой A₁, а затем через цепочку, состоящую из 12 светодиодов средней мощности (LED₁ … LED₁₂) на землю через диод D₂ в направлении стрелки A₂. Аналогичным образом, в течение отрицательного полупериода, когда напряжение ШИНЫ относительно ЗЕМЛИ становится отрицательным, и транзистор Q₂ открывается через резистор R₂, ток протекает через диод D₃, транзистор Q₂ и резистор R₄ в направлении стрелки A₃, а затем через светодиоды к ШИНЕ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ через диод D₁, в соответствии со стрелкой A₄. Таким образом, в течение полного цикла ток течет через светодиоды в одном и том же направлении и складывается как в двухполупериодном мостовом выпрямителе. Однако амплитуда тока I_LED остается постоянной, поскольку регулируется соответствующими ключами, выполняющим функции управляемых напряжением источников тока.

Поскольку переходы база эмиттер Q₃ и Q₄ связаны через токоизмерительные резисторы R₃ и R₄, соответственно, они включаются, когда падение напряжения на R₃ и R₄ начинает превышать пороговые напряжения база эмиттер транзисторов Q₃ и Q₄. В этот момент базы транзисторов Q₁ и Q₂ подтянуты к земле, что исключает протекание через них тока в течение соответствующих полупериодов сетевого напряжения. Таким образом, протекающий через транзисторы ток поддерживается постоянным и никогда не может выйти за пределы порогового значения, установленного резисторами R₃ и R₄. Q₅ и Q₆ ограничивают базовые токи Q₁ и Q₂ до безопасного значения (примерно 150 мкА), предотвращая их перегрузку. Значительные доли базовых токов Q₁ и Q₂ шунтируются R₃ и R₄ посредством Q₅ и Q₆, когда их соответствующие напряжения база-эмиттер превышают падение напряжения на R₆ и R₈, последовательно соединенных с R₁ и R₂, соответственно.

Амплитуда втекающего в шину переменного тока ограничена реактивным сопротивлением C_EFF (1/2πfC_EFF) на частоте питающей сети и может быть изменена путем соответствующего выбора емкостей С₄ и С₅, из которых составлен неполярный конденсатор. Схема также может питаться через резистор, для чего C_EFF нужно заменить подходящим сопротивлением от 50 до 200 Ом с достаточной мощностью рассеивания. Это может дать превосходный коэффициент мощности, но ценою очень высоких потерь в токоограничивающем резисторе. R₃ и R₄ должны выбраться в соответствии с требуемой величиной постоянного тока. D₅ защищает светодиодную ленту от высокого обратного напряжения, а R₅ ограничивает пусковой ток при включении. Индуктивности L₁ и L₂ и конденсатор С₁, помимо повышения коэффициента мощности способствуют минимизации электромагнитных и радиочастотных помех. Также для защиты схемы от скачков напряжения параллельно с цепью переменного тока может быть установлен металлоксидный варистор.

Рисунок 2.	Напряжение VLED+ без конденсатора C2 имеет пульсации (а), с конденсатором C2 пульсации становятся меньше (б).

В представленной схеме 12 светодиодов мощностью по 0.5 Вт работают при постоянном токе 120 мА (среднеквадратичное значение 135 мА), протекающем через токоизмерительные резисторы R₃ и R₄, сопротивление которых выбрано равным 1 Ом. Однако количество светодиодов можно увеличить до 18, пока напряжение, прикладываемое ко всей гирлянде, не станет больше, чем сумма прямых напряжений отдельных светодиодов (которое для белых светодиодов варьируется от 3.3 до 4 В). Напряжение на цепочке является самоограничивающимся (в нашем случае приблизительно на уровне 42 В) и не требует никакого дополнительного регулирования, поскольку последовательно соединенные светодиоды ведут себя как мощные стабилитроны при работе в режиме прямого смещения. От сети переменного тока 230 В схема потребляет 11.5 Вт при коэффициенте мощности 0.93, при этом какого-либо заметного мерцания светодиодов не наблюдается. Для лучшего подавления пульсаций между V_LED+ и V_{LED_GND} можно подключить дополнительный конденсатор C₂ емкостью 220 мкФ (Рисунке 2). Цепочку можно заменить шестью параллельно соединенными светодиодными лентами с 12–18 20-миллиамперными светодиодами высокой яркости в каждой. Транзисторы Q₁ и Q₂ во избежание теплового пробоя следует установить на теплоотводы.