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 VLED+ и VLED_GND. Переменное напряжение подводится к схеме через токоограничивающий резистор R5 с положительным температурным коэффициентом сопротивления, последовательно соединенные конденсаторы C4 и C5 (формирующие неполярный конденсатор CEFF) 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 ILED 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 CEFF (1/2πfCEFF) 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 CEFF 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 VLED+ и VLED_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.
