Использование балласта люминесцентной лампы для управления светодиодами

Christian Rausch

EDN

Микросхемы балластов, такие как IR53HD420 компании International Rectifier, используются конструкторами в КЛЛ (компактных люминесцентных лампах) для нагрева нитей накала, поджига ламп и поддержания в них рабочего тока. Изготовители массово выпускают такие микросхемы, и стоят они порядка $2. В этой статье показано, как использовать микросхему балласта КЛЛ для управления светодиодами, а не люминесцентными лампами. Микросхема балласта, по сути, представляет собой автоколебательный полумост, рассчитанный на автономную работу. В типичном случае микросхема работает от 320 В постоянного тока, что примерно соответствует выходному напряжению выпрямителя сети 230 В или удвоителя напряжения 120 В. Микросхема генерирует прямоугольные импульсы напряжения амплитудой 320 В пик-пик и частотой в десятки килогерц.

Эти прямоугольные импульсы обычно подаются на КЛЛ с включенным последовательно токоограничительным дросселем L₁ (Рисунок 1). При использовании параллельного конденсатора и LC-резонанса можно разогревать лампу, поджигать ее и поддерживать в ней рабочий ток. Этот подход работает хорошо, поскольку ККЛ имеют высокое сопротивление в выключенном состоянии и низкое сопротивление во время работы. Типичное напряжение на лампе составляет 150 В пик-пик.

Рисунок 1.	Балласт люминесцентной лампы управляет длинной цепочкой светодиодов.

Соединив последовательно несколько светодиодов и подключив их к мостовому выпрямителю, можно имитировать КЛЛ, по крайней мере, во включенном состоянии. Имитация выключенного состояния менее важна, так как в процедуре зажигания светодиоды не нуждаются. При указанных на схеме величинах R_T и C_T рабочая частота моста равна 70 кГц. Схема питает 64 светодиода током порядка 80 мА. Инфракрасные светодиоды освещают поле зрения ПЗС-камеры в системе машинного зрения. В макете схемы использовался дроссель 2.7 мГн от вышедшей из строя КЛЛ.

Ток светодиодов, помимо постоянной составляющей, содержит небольшие пульсации, поддержание которых на низком уровне увеличивает КПД схемы и продлевает срок службы светодиодов. Производители светодиодов обычно требуют ограничения пульсаций несколькими процентами. Достичь столь низких пульсаций тока с помощью одного только электролитического конденсатора C₅ может быть трудно, но параллельная комбинация с дополнительным фольговым конденсатором C₄ в большинстве случаев работает достаточно хорошо. Напряжение на входе выпрямителя довольно постоянно в течение одного периода колебаний, поэтому ток дросселя имеет треугольную форму, что хорошо с точки зрения электромагнитной совместимости. Выражение для среднего тока светодиодов (I_LEDAVG) имеет вид

где

V_DC – напряжение источника питания,
N – количество светодиодов в последовательной цепочке,
V_FLED – прямое напряжение светодиода,
f – частота генерации,
L₁ – индуктивность токоограничительного дросселя.

Рисунок 2.	Добавление трансформатора в схему на Рисунке 1 позволяет подключить любое необходимое количество светодиодов.

Хотя схема на Рисунке 1 работает хорошо, у нее есть некоторые недостатки, которые устранены в схеме на Рисунке 2 путем добавления элементов C₆, D₅, D₆ и трансформатора T₁, намотанного на каркасе EPCOS EP13 с сердечником без зазора EP13 из феррита T38, и имеющего индуктивность 7000 нГн. Как первичная, так и вторичная обмотки содержат по 90 витков провода 0.2 мм. Вторичная обмотка намотана поверх первичной. В этом случае индуктивность рассеяния не имеет значения, а индуктивность каждой обмотки составляет 50 мГн. Схема на Рисунке 2 имеет ряд преимуществ перед схемой на Рисунке 1. Например, в схеме на Рисунке 1 ток источника питания микросхемы балласта должен течь через резистор R₁ в IR53HD420, где напряжение ограничивается на уровне 15.6 В. При токе питания около 6 мА резистор R1 должен рассеивать более 2 Вт. Сопротивление резистора R₁ в схеме на Рисунке 2 может быть намного больше, поскольку через него протекает только незначительный пусковой ток. После запуска схемы зарядовый насос, состоящий из элементов C₆, D₅ и D₆, отдает на вывод V_CC ток, достаточный для того, чтобы внутренний стабилитрон ограничивал напряжение на уровне 15.6 В. Расчетная формула для среднего тока , потребляемого зарядовым насосом, имеет вид

Теперь рассеиваемая резистором R₁ мощность остается ниже 0.25 Вт.

Кроме того, суммарное прямое напряжение диодов на Рисунке 1 должно быть меньше половины напряжения источника питания. Изменяя соотношение числа витков обмоток трансформатора в схеме на Рисунке 2, можно подключить столько светодиодов, сколько потребуется, при условии, что не будут превышены предельные режимы используемых компонентов (Напряжения светодиодов могут даже превышать V_DC). Менее очевидная проблема схемы на Рисунке 1 заключается в том, что к обоим концам светодиодной цепочки прикладывается полный размах напряжения мостового выпрямителя. Эта ситуация не представляет проблемы, если все светодиоды сгруппированы вместе и расположены близко к мосту. Однако во многих осветительных приборах стремятся отделить светодиоды от электроники. Из-за паразитных емкостей такое решение приведет к возникновению больших емкостных токов из светодиодов в землю, что снизит КПД и создаст проблемы электромагнитной совместимости. Добавив трансформатор, показанный на Рисунке 2, можно заземлить один конец светодиодной цепочки – либо напрямую, как показано на схеме, либо через конденсатор. Тогда можно использовать длинные провода, и легко отделить светодиоды от управляющей электроники.

Материалы по теме

1. Datasheet International Rectifier IR53HD420
2. Datasheet OSRAM SFH484
3. Datasheet Vishay UF4007