Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014
Yan-Niu Ren, Китай
EDN
Питать светодиоды желательно постоянным током, а не постоянным напряжением. В предложенной схеме стабилизатор напряжения общего применения превращен в источник постоянного тока для управления светодиодами. Кроме того, для снижения коммутационных выбросов использован ограничитель пускового тока, а импульсный преобразователь напряжения позволил расширить диапазон входных напряжений до 96 … 260 В с.к.з.
 |
|
| Рисунок 1. | Эта схема питает цепочку светодиодов постоянным током в широком диапазоне входных напряжений сети. Резистор, включенный последовательно с цепочкой, служит удобным средством измерения тока. |
Представленная здесь концепция базируется на двух публикациях 2011 года ([1] и [2]), и разрабатывалась в целях повышения КПД и снижения цены. Безусловным достоинством обеих схем, представленных на Рисунках 1 и 2, является использование безиндуктивного преобразователя напряжения, а спорным моментом можно считать их энергетическую эффективность. Для улучшения эффективности надо соблюдать два принципа: резисторы преобразователя должны рассеивать минимально возможную мощность, а порог переключения транзистора преобразователя должен строго соответствовать напряжению VTH. Кроме того, порог VTH необходимо устанавливать как можно более близким к падению напряжения на светодиодной цепочке. Такой подход минимизирует мощность, рассеиваемую стабилизатором тока, поддерживая при этом на постоянном уровне протекающий через светодиоды ток.
 |
|
| Рисунок 2. | Преобразователь напряжения почти не отличается от преобразователя, использованного в схеме на Рисунке 1. Увеличенное сопротивление последовательного резистора в цепочке позволяет исключить микросхему источника постоянного тока и обеспечивает функцию ограничения тока. |
КПД основанной на описанных выше решениях усовершенствованной схемы, пример которой изображен на Рисунке 3, повышен до величины порядка 85%. Микросхема IC1 и резистор R5 образуют 20-миллиамперный источник постоянного тока. Количество приборов в цепочке светодиодов должно быть достаточным для того, чтобы суммарное падение напряжения при прямом токе 20 мА составляло 120 В. Падение напряжения на резисторе R6 используется для прямого измерения тока цепочки.
 |
|
| Рисунок 3. | КПД этой схемы повышен за счет использования точного управления порогом переключения, очень близкого к падению напряжения на светодиодах. |
Когда выходное напряжение двухполупериодного диодного выпрямителя доходит до уровня VTH, при котором поделенное цепочкой R1 … R3 оно начинает превышать напряжение пробоя стабилитрона D5, включается транзистор Q1 и закрывается Q2. Конденсатор C1 быстро заряжается до напряжения VTH, транзистор Q2 открывается, и C1 медленно разряжается через цепочку светодиодов до начала следующего полупериода входного сетевого напряжения.
Напряжение VTH в конце разряда C1 не должно быть меньше 120 В, необходимых для питания светодиодов, и, в то же время, не должно превышать 1.414 среднеквадратичного значения (с.к.з.) самого низкого входного переменного напряжения. Если учесть, что помимо необходимых светодиодам 120 В, требуется также обеспечить минимальную разность в 3 В между входом и выходом микросхемы IC1 и добавить 1.25 В, падающие на R5, получается, что напряжение на C1 должно быть не меньше 124.25 В. Для простоты округлим эту величину до 125 В.
 |
|
| Рисунок 4. | Желтая и синяя осциллограммы, соответственно, отображают напряжения на конденсаторе C1 и резисторе R6 при питании схемы от сети 220 В частотой 50 Гц. Положение осциллограмм не меняется в диапазоне входных напряжений от 96 В до 260 В. |
Как видно из Рисунка 4, время разряда конденсатора C1 намного превышает длительность его заряда, происходящего в течение 10-миллесекундного полупериода частоты 50 Гц, за время которого пиковое напряжение на нем достигает уровня, почти равного
Таким образом, напряжение на конденсаторе C1 не превысит
UC1_MAX = 125 В + 9.09 В = 134.09 В.
Для простоты результат был округлен до 135 В. Итак, границы VTH определены. Любое более высокое напряжение откроет Q1 и выключит транзистор преобразователя Q2.
Когда транзистор Q1 включен, рассеиваемая на резисторе R4 мощность (Рисунок 3) составляет менее 20 мВт при входном напряжении 260 В с.к.з., а на делителе R1, R2, R3, D5 теряется менее 100 мВт. По сравнению с потребляемой светодиодами мощностью 2.4 Вт, такие потери можно считать незначительными. Сопротивления этих резисторов выбраны очень большими, чтобы сократить выделяющуюся на них мощность до минимума. Подстроечный резистор R3 предназначен для точной регулировки напряжения порога VTH, учитывающего реальное падение на светодиодах, установленных в конкретную схему.
Для снижения большого пускового тока, который мог бы потечь через C1 и Q2, если бы переменное напряжение включилось в той части периода, когда VTH еще не достигло установленного уровня, в схему включен ограничивающий резистор R9. Чтобы резистор не снижал эффективность устройства, ограничивая ток в каждом периоде входного напряжения, в схему добавлен транзистор Q3, закрытый лишь в первый момент после включения питания, и открывающийся сразу, как только зарядится конденсатор C2. Таким образом, ограничивается только начальный бросок тока (примерно на уровне 1.35 А), после чего R9 начинает шунтироваться транзистором.
При увеличении входного переменного напряжения рассеиваемая преобразователем мощность незначительно возрастает, вследствие чего, как это видно из Таблицы 1, КПД слегка падает.
| Таблица 1. | КПД усовершенствованной схемы | ||||||||||||
|
|||||||||||||
Усовершенствованная схема рассчитана на входные напряжения переменного тока 50 Гц от 96 В до 260 В. Если для питания светодиодов потребуется больший ток, увеличьте емкость конденсатора C1 и уменьшите сопротивление резистора R5. При необходимости изменить напряжение на светодиодах, повторите шаги предыдущего анализа для вычисления новых параметров некоторых компонентов. Обратите внимание, что чем меньше рабочее напряжение цепочки светодиодов, тем меньшим может быть входное переменное напряжение. Описанная здесь схема работоспособна также при сетевом напряжении частотой 60 Гц.
Примечания автора
- Используйте высоковольтные резисторы с выводами для монтажа в отверстия или цепочки SMD резисторов с допустимым напряжением, по крайней мере, 400 В. Для защиты от коротких замыканий имеет смысл поставить предохранитель.
- В схеме присутствуют опасные для жизни напряжения. Соблюдайте осторожность при тестировании и работе. При необходимости измерений с помощью осциллографа используйте изолирующий трансформатор. «Земля» осциллографа не должна подключаться к схеме без изоляции.
- Не нажимайте кнопку при включенной схеме. Используйте кнопку только в целях безопасности, держа ее нажатой после снятия сетевого напряжения до тех пор, пока C1 не разрядится через R10, и светодиод D8 не погаснет.
Ссылки
