Схема питания мощных светодиодов от сети переменного тока

Журнал РАДИОЛОЦМАН, январь 2020

Aaron Lager

EDN

Светодиоды приобрели популярность как средство экономии энергии для освещения общего назначения,  но это потребовало разработки эффективных способов управления ими. Светодиоды для устройств освещения помещений выпускаются, например, компанией Lumileds под маркой Luxeon. Для питания нескольких светодиодов может быть достаточно лишь токоограничивающего резистора, но в осветительных приложениях для освещения достаточной области требуется цепь из 20 или более светодиодов. Схема на Рисунке 1, основанная на 100-килогерцовом ШИМ-контроллере NCP1200A компании ON Semiconductor, работающем в режиме управления по выходному току, служит основой недорогого сетевого источника постоянного тока для питания нескольких светодиодов. Хотя обычно разработчики используют его в конфигурации источника напряжения, в этом приложении NCP1200A является источником постоянного тока. На Рисунках 2 и 3 показаны крупные планы схемы.

Рисунок 1.	Питающийся от сетевого напряжения источник тока управляет цепочкой мощных светодиодов.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель D₂-D₅ и конденсатор фильтра C₁ обеспечивают схему преобразователя IC₁ и связанные с ней компоненты постоянным напряжением приблизительно 160 В. Резистор R₃ изменяет смещение на выводе подключения датчика тока микросхемы IC₁ и при сопротивлении 6.2 кОм позволяет использовать токоизмерительный резистор R₆ сопротивлением 1.2 Ом. Уменьшение сопротивления R₆ не только снижает затраты по сравнению с токоизмерительным резистором более высокой мощности, но и повышает КПД схемы. Конденсатор C₃, стабилизирующий ток цепи обратной связи, на случай обрыва цепочки светодиодов должен имеет номинальное напряжение 400 В. RC-цепочка, образованная элементами R₅ и C₄, обеспечивает некоторую низкочастотную фильтрацию напряжения на входе C_S.

Рисунок 2.	На фотографии схемы Рисунок 1 в верхнем правом углу платы виден дроссель L1.

Разрядные резисторы R₁ и R₂ устраняют любую опасность поражения током от контактов вилки сетевого провода при его отсоединении. Хотя вместо них можно было бы использовать один резистор 1 МОм для монтажа в отверстия, два последовательных резистора для поверхностного монтажа по 500 кОм стоят дешевле и обеспечивают между дорожками платы расстояние, необходимое, для приложений с сетевым напряжением. Номинальное напряжение конденсатора C₂ должно выбираться в соответствии с напряжением сети. В качестве Q₁ можно использовать любые MOSFET с подходящим напряжением пробоя и низким сопротивлением открытого канала, такие, например, как MTD1N60E или IRF820. Дроссель L₁ с индуктивностью 500 мкГн должен быть способен работать на частоте 100 кГц и пропускать непрерывный ток более 350 мА. Можно использовать, например, выпускаемые Coilcraft дроссели для поверхностного монтажа серий RFB1010 или DR0810, но можно и поэкспериментировать с самостоятельной намоткой, выбрав сердечник из подходящего материала. При желании схему можно дополнить оптоизолятором IC₂, чтобы иметь возможность управления яркостью освещения с помощью ШИМ-сигнала микроконтроллера, используя вход обратной связи микросхемы IC₁ (вывод 2).

Рисунок 3.	Эта версия схемы содержит три канала драйвера постоянного тока. Над печатной платой находится собранная светодиодная панель.

Для лучшего понимания экономической мотивации использования светодиодов как источников света, сравним светоотдачу цепочки из 20 одноваттных белых светодиодов Luxeon и стандартной лампы накаливания. Каждый светодиод обеспечивает световой поток 45 лм, а вся цепочка из 20 светодиодов – 900 лм. Среднее прямое напряжение, приходящееся на один светодиод, составляет 3.42 В при рассеиваемой мощности 1.197 Вт и прямом токе 350 мА. Таким образом, цепочка из 20 светодиодов рассеивает 23.94 Вт. С учетом невысокого КПД источника питания, оцениваемого значением 80%, потребляемая системой мощность достигает 28.73 Вт при эффективности излучения 900 лм на 29 Вт или 31 лм/Вт. Излучатели Luxeon рассчитаны на 100,000 часов работы, что составляет примерно 11 лет.

Для сравнения, стандартная 60-ваттная лампа накаливания Philips выдает 860 лм в течение 1000 часов, то есть, в течение лишь одного месяца, при эффективности всего 14 лм/Вт. С точки зрения рассеиваемой мощности конструкция на основе светодиодов вдвое эффективнее лампы накаливания. Кроме того, светодиодная конструкция не требует дополнительных трудозатрат на техническое обслуживание для замены ламп.

Материалы по теме