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

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).

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

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

а)		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).

Рисунок 4. Общий вид собранной платы и корпуса ИП

Данные для намотки трансформатора типоразмера EE19 приведены на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Геометрия импульсного трансформатора

Загрузки

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