Валерий Жижин
Энергосберегающие технологии в освещении и, в частности, светодиодные светильники, получают все большее распространение. Данная статья посвящена анализу работы нового светодиодного драйвера NCL30000 компании ON Semiconductor, применение которого увеличивает КПД излучения и срок службы излучателей.
Оптическая мощность и комфортность свечения светодиодов определяются величиной и формой тока, протекающего через светоизлучающую систему. Для питания светодиодов используются специальные микросхемы-драйверы. Большинство выпускаемых в настоящее время драйверов освещения не учитывают нелинейность ватт-амперных и вольт-амперных характеристик полупроводниковых излучателей, что снижает КПД излучения и сокращает срок службы. Микросхема NCL30000 компании ONS позволяет устранить эти недостатки.
Данный драйвер светодиодов имеет в своем составе функцию коррекции коэффициента мощности (ККМ). Одной из основных характеристик любого АС/DC-источника питания, наряду с выходной мощностью, является коэффициент мощности - отношение активной мощности, выделяемой на нагрузке, к полной мощности, подводимой из электросети. Физический смысл коэффициента - степень подобия реальной нагрузки источника питания обычной резистивной нагрузке. В реальных системах электропитания ККМ всегда существенно меньше единицы, следовательно, форма тока в нагрузке отличается от формы двухполупериодного выпрямленного напряжения, т.е. носит импульсный, негармонический характер. Вследствие этого в электросеть проникают многочисленные гармоники от такого источника питания, и она становится «грязной». Кроме того, паразитные гармоники являются причиной высокочастотных мерцаний светодиодов, что сокращает срок их службы. Современные международные нормы для систем электропитания и освещения (европейский стандарт IEC 1000-3-2 группа С) предусматривают достаточно жесткие требования к ККМ - не ниже 0.85%. Для поддержания ККМ в области допустимых значений (свыше 90%) и предназначены схемы коррекции коэффициента мощности. Рассмотрим особенности электрических характеристик и функционирования микросхемы NCL30000.
- Имеет сверхнизкий начальный стартовый ток 24 мкА;
- В контуре регулирования используется ШИМ-модуляция;
- С целью минимизации падения мощности на внешнем токовом резисторе устанавливается порог 500 мВ;
- Имеет низкий ток собственного потребления 2 мА;
- Обеспечивает нагрузочную способность для светодиодных излучателей 500 мА;
- Имеет возможность использования драйвера совместно с тиристорами и широкодиапазонными линейными регуляторами мощности в нагрузке (димминг);
- Имеет расширенный температурный диапазон –40...125 °С;
- Микросхему можно использовать в качестве самостоятельного ККМ в обратноходовых импульсных преобразователях.
Микросхема NCL30000 выпускается в корпуcе SOIC-8, выполненном по бессвинцовой технологии (Pb Free).
Принципы построения светодиодного источника питания использованием NCL30000
Принцип реализации источника питания для линейки светодиодов, использующих драйвер NCL30000, показан на упрощенной схеме (рис 1).
Рис. 1. Источник питания для линейки светодиодов на NCL30000
В этой схеме помимо выполнения функции ККМ дополнительно осуществляется стабилизация выходного тока.
Двухполупериодное напряжение Uвх после диодного моста поступает на вход усилителя ошибки рассогласования MFP микросхемы драйвера. Выход этого усилителя управляет внутренним источником тока, который заряжает конденсатор Сcomp. Пока сигнал Uвх превышает напряжение на конденсаторе, выход DRV имеет высокий уровень, и транзисторный ключ Q1 открыт. Ток через индуктивность первичной обмотки I(t) L1 нарастает по линейному закону. Благодаря тому, что обмотки трансформатора L1 и L2 в противофазе, диод Dout закрыт, и конденсатор Cout разряжается, отдавая ток в светодиодную нагрузку. В момент времени, когда напряжение на Сcomp сравняется с Uвх, транзисторный ключ Q1 закрывается. Наведенная ЭДС самоиндукции противоположного знака передается во вторичную обмотку L2, диод Dout открываетcя, и в цепи этой обмотки начинает течь ток Iа, который заряжает конденсатор Сcomp. Ток Iа определяется выражением:
Iа = Iвх × w1/w2 – Uвых × t/L2,
где
w1 и w2 - количество витков первичной и вторичной обмотки трансформатора,
Uвых - напряжение на обмотке L2,
Iвх - амплитуда тока в первичной обмотке трансформатора.
Как видно из этой формулы ток, Iа спадает от максимального значения до нуля, при этом ток в первичной обмотке I(t) тоже линейно спадает.
Детектор нулевого тока вторичной обмотки (вход ZCD) осуществляет его непрерывный мониторинг через цепь, образованную вспомогательной обмоткой L3 и резистором Rzcd. При достижении нулевого значения Iа выход DRV переключается, и через открытый транзистор Q1 снова начинает течь ток. Далее процесс повторяется.
Таким образом, ток в первичной цепи представляет собой последовательность амплитудно-модулированных импульсов треугольной формы, огибающая которых повторяет входное напряжение, а среднее значение Iin(t) этого тока становится похожим на форму тока в резистивной нагрузке. Частотный диапазон петли слежения не превышает 20 Гц. Это позволяет достичь высокого коэффициента мощности PF выше 0,9 и получить низкий коэффициент гармонических искажений THD порядка 10% во всем диапазоне питающего напряжения.
Особенностью драйвера NCL30000 является то, что он позволяет организовать отрицательную обратную связь по току с целью его стабилизации. Она осуществляется с помощью диодно-транзисторного оптрона DT. При превышении выходного напряжения опорного уровня, определяемого стабилитроном схемы контроля CC/CV, светодиод оптрона начинает проводить ток, поэтому его транзистор переходит в низкоимпедансное состояние, разряжая конденсатор Сcomp. Скважность управляющей импульсной последовательности при этом уменьшается и выходной ток стабилизируется. Это следует из формулы для выходного тока обратновходового преобразователя: Iout = Iвх × w1/w2 × (1 – D/2), где D – отношение длительности импульса ШИМ-последовательности к ее периоду (величина, обратная скважности).
Как уже отмечалось, драйвер реализует функцию коррекции коэффициента мощности, поэтому после диодного моста устанавливается только керамический конденсатор небольшой емкости порядка 0,1 мкФ. Фильтрация помех с удвоенной частотой сети происходит в цепи вторичной обмотки, благодаря электролитическому конденсатору большой емкости Cout. Такой способ подавления гармоник не является идеальным, и выходной ток содержит гармонику на удвоенной частоте сети. Тем не менее, спектр выходного тока не содержит высокочастотных составляющих, характерных для импульсных источников питания, а величина пульсаций не превышает 10%, что вполне достаточно для большинства коммерческих и промышленных применений.
Напряжение питания, снимаемое с резистивного делителя R0/R1+R2, подается на вывод 8 микросхемы NCL30000. Она начинает работать, когда это напряжение превышает порог включения Von = 10 B, и выключается при спаде напряжения ниже Voff = 9.5 B. Рабочий диапазон напряжения питания составляет 10.2...20 В. Для повышения помехоустойчивости между выводом питания (8) и аналоговой землей (6) подключается танталовый конденсатор порядка 10 мкФ.
К выводу 3 микросхемы драйвера подключается емкость Сt, которая задает скорость заряда выходного конденсатора Cout.
Применение NCL30000
Основные примеры применения драйвера приведены на сайте компании ON Semiconductor.
В документе AND 845-D приводится подробное описание принципов работы драйвера, и даются методики расчетов компонентов обратноходового импульсного источника питания для создания светодиодного светильника.
В материале AND 844-D описано применение NCL30000 в регулируемых источниках тока – триаках (симисторах) и диммерах. Триак работает по принципу отсечки фазы по переднему фронту.
В начале каждой полуволны синусоиды симистор, не являясь токопроводящим элементом, блокирует прохождение тока к лампе. Только по истечении определенного времени задержки tz, которое пользователь может установить по собственному усмотрению, в регуляторе срабатывает электронный выключатель и подает ток ко всем подключенным потребителям. Таким образом обеспечивается возможность плавной регулировки яркости подключенных источников света. Напряжение, возникающее во время включений и отключений помех, гасится с помощью соответствующих фильтров.
Принцип отсечки фазы по заднему фронту состоит в том, что во время прохождения каждой полуволны синусоиды через ноль включается нагрузка, которая отключается по истечении времени tz., обеспечивая возможность изменения действующего значения напряжения лампы и ее яркости. При включении возникновения помех не происходит, так как напряжение сводится к нулю. Использование NCL30000 позволяет оптимизировать управление нагрузкой и повысить коэффициент мощности.
Для удобства освоения драйвера фирма ON Semiconductor предлагает следующие демонстрационные платы:
- NCL30000 LED1 GEVB 15 Вт, 350 мА, 115 В;
- NCL30000 LED2 GEVB 15 Вт, 350 мА, 220 В;
- NCL30000 LED2 GEVB 17 Вт, 350 мА, 90...350 В.
Заключение
Анализ работы драйвера NCL30000 показывает, что с помощью него можно создавать высококачественные АС/DC-источники тока, обладающие высоким коэффициентом мощности и низким коэффициентом гармоник. Потребность в таких источниках существует не только в современных осветительных системах. Данная микросхема может найти применение и при создании контроллера для управления электромагнитными клапанами малой мощности, рост промышленной потребности в которых наблюдается в последнее время в России.
