Зміст
/>/>Вступ
1 Загальна частина
1.1 Зростання ролісвітлодіодного освітлення
1.2 Огляд драйверівживлення світлодіодних світильників
2 Спеціальна частина
2.1 Характеристикаелементної бази
2.1.1 Опис роботимікроконтролера на мікросхемі VIPer17 по схемі функціональній
2.1.2 Мікросхема STCS05
2.2 Розрахунокпараметрів елементів схеми драйвера
2.3 Схема принциповадрайвера білих світлодіодів
Висновки
Список літератури
Додаток А –Функціональна схема контролера VIPer17. Плакат
Додаток Б – Драйвербілих світлодіодів. Схема електрична принципова. Плакат
Вступ
З моменту своєї появи, світлодіоди проробили довгий шлях технологічногорозвитку. В останні роки були розроблені яскраві світлодіоди в широкомудіапазоні кольорів, який тепер включає й білий. Це у свою чергу, відкрило масунових застосувань для світлодіодів у якості джерела світла зі своєю власноюнішею ринку, відомою як «світлодіоди високої яскравості» (HB LEDs). Длявизначення таких світлодіодів також використовують терміни «суперяскравісвітлодіоди», «ультраяскраві світлодіоди» — це синоніми.
Існує два типи світлодіодів високої яскравості з використанням певнихнапівпровідникових матеріалів. На основі AlInGaP створюють червоні,жовтогарячі, жовті й зелені світлодіоди високої яскравості. Інший матеріал —InGaN, дозволяє створити синій, синьо-зелений, чистий зелений і, разом з жовтимлюмінофором, білий колір.
Область застосувань надяскравих світлодіодів може бути умовно розділенана дві широкі категорії, а саме, з використанням прямого світла й освітлення.Пряме світлодіодна світло використовується для передачі інформації, наприклад валфавітно-цифрових табло й повноклірних відео дисплеях, де світлодіоди формуютьпікселі дисплея. У сигнальних пристроях також використовується пряме світло. Якприклад, дорожні сигнали – світлофори й знаки, стоп-сигнали й індикаториповороту транспортних засобів. У освітленні світлодіод використовується, щобосвітити поверхню, простір або об'єкт, замість того, щоб бути видимимбезпосередньо.
Для живлення світлодіодів потрібні спеціальні джерела, які не тількистабілізують їх струм, але й усувають залежність деяких параметрів світлодіодіввід температури. Джерело живлення є однїєю з основних складових світлодіодногоприладу й забезпечує якісні характеристики світильника протягом усього термінуслужби. Основними завданнями розроблювача є правильний вибір контролера йпобудова схеми живлення з урахуванням багатьох вимог, що часто суперечать однаодній.
/>/>/>1 Загальначастина/>/>/> 1.1 Зростання ролі світлодіодногоосвітлення
Діоди, що випромінюють світло, (Light-Emitting Diodes — Leds) —технологія, що швидко еволюціонує, яка стає конкурентною в різних системахосвітлення. Світлодіодне освітлення, яке часто називають твердотільним,використовують як усередині будинків (комерційних, промислових і житлових), такі зовні (освітлення вулиць і місць паркувань), а також для архітектурного йдекоративного підсвічування, де світлодіоди почали застосовувати раніше всьогочерез їхню здатність випромінювати у всьому колірному спектрі.
Протягом деякого часу світлодіоди були ефективним рішенням дляархітектурного підсвічування. Сьогодні світлодіоди стають основою для більшостіпристроїв освітлення завдяки ряду переваг у порівнянні з іншими джереламисвітла:
— Вони мають більший термін служби, ніж інші джерела світла.Світлодіоди можуть відпрацювати 50000 годин, тоді як ресурс ламп розжарюваннястановить від 1000 до 2000 годин, а компактних люмінесцентних ламп (CFL —Compact Fluorescent Lamp) — від 5000 до 10000 годин. Такий помітно більшийресурс робить світлодіоди ідеальним вибором для багатьох комерційних іпромислових освітлювальних систем, де високі працезатрати на заміну ламп.
— Їх енергоефективність суттєво вище, ніж у ламп розжарювання йгалогенних ламп, і часто перебільшує енергоефективність люмінесцентних ламп. Дотого ж ККД світлодіодів безупинно поліпшується. За прогнозами ККД білихсвітлодіодів буде покращена приблизно на 50% у найближчі три-чотири роки.
— Вони мають маленький форм-фактор. Можна зробити світлодіодні лампи втаких форм-факторах, як MR16 і GU10, тоді як для компактних люмінесцентних лампце неможливо.
— Яскравість їх світіння можна регулювати за допомогою спеціальногодрайвера.
Застосування люмінесцентних ламп у застосуваннях, що вимагаютьрегулювання яскравості, технічно обмежене. Хоча традиційні конструкціїосвітлювальних приладів на базі світлодіодів теж зустрічаються з подібнимиобмеженнями, інноваційні драйвери світлодіодів провідних компаній сумісні ізсимисторами й імпульсними пристроями регулювання яскравості.
— Вони випромінюють высокоспрямоване світло. На відміну відвипромінювачів, створених по інших технологіях, світлодіоди більш підходять длязастосувань, подібних прожекторним лампам, які формують вузький потік світла.
— Їх ККД зростаєте зниженням температури. ККД люмінесцентних ламп падаєпри низьких температурах. Світлодіоди, навпаки, ідеальні для застосувань, щопрацюють в умовах низьких температур, наприклад у якості освітлювальної лампи вхолодильнику.
— Дуже легко змінити колір випромінюваного світла. Це робитьRGB-світлодіоди ідеальними для застосування в архітектурному підсвічуванні йсистемах освітлення типу Mood Lighting (освітлення для настрою), у яких колірсвітла повинен мінятися в режимі реального часу.
У підсумку можна сказати, що світлодіодні лампи мають істотні перевагиперед лампами розжарювання й люмінесцентними лампами. Поступово розроблювачізнаходять нові сфери застосування для свтлодіодних освітлювальних пристроїв.Таким чином, у сьогодення актуальними є дві області застосування світлодіодів:світлодіодні еквіваленти розповсюджених освітлювальних ламп і світлодіоднеосвітлення з дистанційним керуванням.
Світлодіодні еквіваленти ламп призначені для заміни ламп розжарювання,галогенних або люмінесцентних ламп і випускаються з такими ж патронами. Цісвітлодіодні лампи повинні відповідати існуючим форм-факторам і бути суміснимиз існуючою інфраструктурою.
Світлодіоди для дистанційно керованого освітлення мають більшугнучкість, коли потрібно міняти яскравість світіння й колір. Більше того,використання бездротових систем дистанційного керування або керування зпередачею даних по мережі змінного струму сприяє появі великої кількості новихобластей застосування світлодіодів.
Мало хто буде заперечувати той факт, що ринок світлодіоднихеквівалентів традиційних ламп сьогодні — сама швидкозростаюча областьзастосування світлодіодних освітлювальних пристроїв. Причина настільки швидкогоросту досить прозора: для цих світлодіодних аналогів не потрібна новаелектрична інфраструктура ( тобто, проводка, трансформатори, регуляторияскравості й патрони), що дає значні переваги новій технології.
Вбудовування світлодіодних ламп в існуючу інфраструктуру вимагає відрозроблювачів рішення двох принципових проблем:
— Форм-Фактор. Світлодіодні лампи повинні відповідати форм-факторовіколишнього джерела світла.
— Електрична сумісність. Світлодіодні лампи повинні працювати коректной без мерехтінь в існуючій електричній інфраструктурі.
Існуючий форм-фактор накладає на конструкцію світлодіодної лампи якфізичні ( тобто, плата драйвера повинна бути досить малою), так і тепловіобмеження. Ці обмеження самі по собі представляють проблему при створенніконструкції лампи-заміни (наприклад, форм-фактори PAR, R і А). І цю проблему,зокрема, важко розв'язати у випадку малих форм-факторів, таких як MR16 і GU10.
Розміри важливі при конструюванні лампи-заміни, але найчастіше більшкритичними є теплові обмеження. Світлодіоди випромінюють тільки видиме світло,вони не випромінюють енергію у вигляді інфрачервоного випромінювання, як іншіджерела світла. Таким чином, хоча енергетична ефективність світлодіодів вище,чим у ламп розжарювання або галогенних ламп, вони розсіюють набагато більшетепла за допомогою теплопровідності.
Розсіювання тепла — це також основний фактор, що обмежує світловийпотік, який може створити лампа. Сучасні світлодіодні технології навряд чи встані досягтися рівня яскравості, прийнятного для основного ринку. Для розробкикомерційно успішних виробів необхідно подолати обмеження по яскравості й, отже,по відводу тепла.
Із проблемою розсіювання тепла, що виділяється, логічно зв'язанепитання часу служби драйверної плати. Щоб випромінювати більше світла, лампаповинна працювати при досить високих температурах (+80...+100°С). При такихтемпературах ресурс драйверної плати може стати обмеженням для всієї лампи.Найбільшою проблемою, зокрема, є електролітичні конденсатори. Оскільки притаких температурах вони швидко висихають, то термін служби цих конденсаторів неперевищить декількох тисяч годин, і вони стануть обмежуючим фактором для всієїлампи. Оскільки головною маркетинговою перевагою світлодіодних ламп є їхнядовговічність, то проблема відносно невеликого терміну служби електролітичнихконденсаторів стає однією з основних проблем для розроблювачів ламп.Відсутність електролітичних конденсаторів збільшує час служби ламп у середньомувід 10000 до 90000 годин. Відсутність електролітичних конденсаторів також ведедо зменшення габаритів схеми, тому плата драйвера може бути встановлена усвітлодіодні лампи, призначені для заміни традиційних ламп із малимиформами-факторами.
Для узгодження з електричною інфраструктурою світлодіодні лампи повиннікоректно працювати в існуючих системах освітлення, у яких використовуютьсяпристрої регулювання яскравості з фазовим керуванням (симисторні або імпульснірегулятори) і електронні трансформатори. Між лампою й мережею змінної напруги120/230 В може стояти регулятор яскравості, виконаний на симисторі. Такірегулятори спроектовані для роботи з лампами розжарювання або галогеннимилампами, які являють собою повністю резистивне навантаження. Драйвер веквівалентній світлодіодній лампі, загалом кажучи, не є чисто резистивнимнавантаженням, до того ж він відрізняється досить нелінійною характеристикою.Через мостовий випрямляч на його вході проходять короткі, потужні кидки струмув моменти, коли хвиля вхідної змінної напруги досягає позитивного абонегативного максимуму. Така поведінка драйвера світлодіодної лампи не даєрегулятору на симисторі правильно працювати, оскільки не забезпечуєтьсянеобхідний стартовий струм та струм утримання. У результаті регулятор абонекоректно включається, або відключається в процесі роботи, а світлодіодналампа мерехтить неприйнятним способом.
Для ламп, розрахованих на змінну напругу 12 В, ситуація ще більшскладна, тому що лампа може підключатися до мережі через електроннийтрансформатор і імпульсний регулятор яскравості. І знову ж, світлодіодна12-вольтова лампа, у драйвері якої використовується традиційний мостовийвипрямляч і DC/ DC-перетворювач, мерехтить через несумісність ізтрансформатором і регулятором яскравості.
Як говорилося вище, світлодіодні лампи надають розроблювачам більшетворчого простору, оскільки дозволяють регулювати яскравість і міняти колір світіння.Такі можливості роблять їх ідеальними для застосування в архітектурнімпідсвічуванні, у системах внутрішнього освітлення, а також у регульованихенергозберігаючих системах вуличного освітлення. Для всіх цих застосуваньпотрібна технологія дистанційного керування яскравістю світлодіодних ламп. Щобзастосування мало успіх на ринку, витрати на модернізацію інфраструктури дляпереведення систем освітлення на нові світлодіодної технології повинні бутимінімізовані. Не дивно, що рішення, які дозволять використовувати існуючуінфраструктуру без її переробки, імовірно, стануть першими кандидатами дляпроникнення на ринок.
По оцінках, при переході на світлодіодне освітлення з дистанційнимкеруванням найбільш витратною справою буде прокладка дротів керування світлодіоднимилампами. На щастя, є дві технології, які дозволяють відмовитися від настількидорогої модернізації: світлодіодними лампами можна управляти за допомогоюбездротового зв'язку або через існуючу мережу змінної напруги, використовуючитехнологію PLC (Power Line Communication — зв'язок по проводах електричноїмережі). Технологія PLC дозволяє передавати сигнали керування на великівідстані, але це може виявитися проблематичним, якщо на шляху проходженняпотоку даних по мережі змінного струму зустрічаються переривники аботрансформатори. У той же час для бездротового зв'язку такої проблеми не існує,але відстань, на яку можуть бути передані керуючі сигнали, може виявитисяобмеженою, якщо для цих цілей використовуються вільні частотні діапазони. Інодінайкращим рішенням є сполучення цих двох технологій: зв'язок по проводахелектромережі для пристроїв, які не розділені між собою трансформаторами, ібездротовий зв'язок як спосіб обійти трансформатори./>/>/>1.2 Огляд драйверів живлення світлодіодних світильників
Розробка світильників на основі потужних світлодіодів з появою новихнадійних елементів стає усе більш актуальною. Багато фірм — виробників радіокомпонентівпропонують рішення для створення джерел струму й різні мікросхеми драйверів дляживлення світлодіодів. Фірма STMicroelectronics пропонує декілько вдалихсхемотехнічних рішень для реалізації живлення світлодіодів.
По суті своєї драйвери світлодіодів представляють собою DC-DCперетворювачі, що стабілізують не тільки напругу, а струм через світлодіоди.Структура драйвера залежить від діапазону вхідної напруги й від кількостісвітлодіодів, що можуть живится від драйвера. Внутрішня структура драйвера можебути різна, але, як правило, він складається з наступних функціональних блоків:
– DC-DC-перетворювач;
– Регульовані або навіть програмувальні лінійніджерела струму (один або кілька каналів);
– ШІМ-контролери для індивідуального або загальногокерування струмом через світлодіоди;
– Інтерфейс керування;
– Блок діагностики для виявлення обривів у коліпідключення світлодіодів, коротких замикань і ін.
Цікавим рішенням є драйвери LED7706,LED7707 від компанії STMicroelectronics. Мікросхемипризначено для живлення шести лінійок послідовно включених світлодіодів (до 10світлодіодів у кожному ланцюжку) струмом 30 або 85 мА, відповідно.
Структура цих мікросхем однакова: до їхнього складу входитьвисокоефективний підвищувальний перетворювач, який працює на частоті 660 кГц.Він має можливість зміни робочої частоти в межах від 200 кГц до 1 МГц задопомогою зовнішнього резистора й шість генераторів струму.
Вихідна напруга підвищувального перетворювача змінюється адаптивнотаким чином, щоб найменше спадання напруги на одному із внутрішніх джерелструму було рівне їхній опорній напрузі(400 мВ). Вихідна напруга можезмінюватися в діапазоні від 4,5 В до 36 В.
Вихідний струм у кожному каналі може бути заданий одним зовнішнімрезистором. Яскравість світіння світлодіодів може змінюватися, для цьогомікросхема має спеціальний вхід для регулювання. Основні параметри мікросхемнаведені у таблиці 1.
Таблиця 1 — Основні параметри мікросхем
Найменування
Вхідна напруга, ( В )
Вихідна напруга, ( В )
Вихідний струм, (мА)
Число каналів
ККД, ( %)
Діммінг
Робоча частота, (МГц )
LED7706 4,5 — 36 до 36 до 30 6 93 PWM 0,2...1
LED7707 4,5 — 36 до 36 до 85 6 93 PWM 0,2...1
Схема включення цих мікросхем показана на рисунку 1.
/>
Рисунок 1 — Схема включення мікросхемиLED7706
Вхідна її частина утворена лініями живлення VIN+, VIN-, а такожінтерфейсом керування й діагностики, що включають лінії:
– EN — вхід керування включенням/відключенням;
– FAULT — вихід з відкритим стоком, що сигналізує провиявлення внутрішньою схемою мікросхеми аварійного стану. Логіка роботи даноговиводу, а також поведінка мікросхеми в аварійних режимах залежить від станувиводу MODE, яке задається перемикачем SW3;
– DIM — вхід ШІМ-керування яскравістю (частота до 20кГц, діапазон регулювання 1...100%).
Стани функціональних вузлів мікросхем LED7706 і LED7707 при виникненнірізних аварійних станів наведено у таблиці 2.
Таблиця 2 – Аварійні стани мікросхеми LED7706
Аварійний стан
MODE з'єднаний з GND
MODE з'єднаний з VCC Струмове перевантаження внутрішнього МДН-Транзистора Вивід FAULT у високому стані Потужний Моп-Транзистор відключений. Перенапруга на виході Вивід FAULT у низькому стані. Драйвер у відключеному стані. Перегрів Вивід FAULT у низькому стані. Драйвер у відключеному станіАвтоматичний перезапуск при зниженні температури менш 30°С Коротке замикання світлодіодів Вивід FAULT у низькому стані. Драйвер у відключеному стані. (гранична напруга 3.4В) Вивід FAULT у низькому стані. Блокується робота несправного каналу. (гранична напруга 6В) Обрив у колах підключення світлодіодів Вивід FAULT у низькому стані. Драйвер у відключеному стані. Вивід FAULT у високому стані Блокується робота несправного каналу.
Функціонування мікросхем LED7706, LED7707відбувається наступним чином. Підвищувальнийперетворювач перетворює вхідну напругу до необхідного рівня на лінії VBOST.Рівень напруги на цій лінії контролюються перетворювачем через вхід OVSEL.Величина напруги на виході залежить від величини дільника виконаного нарезисторах R1, R2.
Від величини конденсатора Css залежить тривалість «плавного»старту перетворювача. Конденсатор заряджається від інтегрованого в мікросхемуджерела струму 5 мкА. При досягненні на ємності Css напруги 2.4В, перетворювачпочинає працювати в штатному режимі.
Робоча частота задається зовнішнім резистором Rfsw, що підключаються довходу FSW. Частота може бути задана в діапазоні 250...1000 кГц. Якщо вивід FSWз'єднати з виводом Avcc перетворювач буде працювати на частоті 660 кГц. ВивідFSW також може виступати в якості входу зовнішньої синхронізації. У такомувипадку, одна мікросхема LED770x є головною, а інші — підлеглими (сигналсинхронізації надходить на вхід FSW з виходу SYNC попередньої мікросхеми).
Особливостямимікросхем є висока продуктивність, високий ККД, — ШІМ-діммірування на частоті20кГц, мінімальний розмір пристрою. Вони застосовуються для підсвічуваннярекламних стендів та побудови світильників на чіп-світлодіодах.
Для живлення світлодіодів підходять мікросхеми звичайних DC-DCперетворювачів, необхідно тільки переробити схемотехнічне рішення таким чином,щоб на виході перетворювача стабілізувався струм, а не напруга. КомпаніяSTMicroelectronics рекомендує використовувати для цієї мети сімействоімпульсних понижувальних стабілізаторів L597x.
Це серія перетворювачів може працювати з вихідною напругою до 36 В изабезпечувати струм виходу 1, 1,5 або 2 Ампера. Звідси випливає, що можнапідключити на вихід стабілізатора до 10 послідовно включених світлодіодів істабілізувати струм для світлодіодів з робочими струмами 350 мА, 700 мА й 1400мА, найчастіше більшого й не потрібно.
У стабілізаторах сімейства перетворювачів L597x застосовується потужнийP-Канальний польовий транзистор, виконаний за технологією D-MOSFET. Транзистормає високу швидкодію, що дозволяє будувати на ньому перетворювачі з робочоючастотою 250 і 500кГц і вище. Крім цього транзистор має вкрай низький опірканалу, порядку 250 мОм. Що дозволяє будувати схеми з мінімальною різницею вхідноїй вихідної напруги. Перетворювачі оснащені захистом від перевищення струму,короткого замикання на виході й перегріву. Основні параметри мікросхем серіїL5970X наведені у таблиці 3.
Таблиця 3 — Основні параметри мікросхем серії L5970X
Найменування
Максимальний вихідний струм, (А)
Діапазон вхідної напруги, (В)
Максимальна вихідна напруги, (В)
Максимальна кількість світлодіодів
Робоча частота, (МГц) L5970D 1 4,4 — 36 до 36 9 250 L5970AD 1 4,4 — 36 до 36 9 500 L5972D 1,5 4,4 — 36 до 36 9 250 L5973AD 1,5 4,4 — 36 до 36 9 500 L5973D 2 4,4 — 36 до 36 9 250
Варіант підключення мікросхеми L5973D показаний на рисунку 2.
/>
Рисунок 2 — Варіант підключення мікросхеми L5973D
Сигнал з датчика струму Rs подається на вхід зворотного зв'язкумікросхеми. Оскільки опорна напруга внутрішнього джерела дорівнює 1,235 В, томуй сигнал з датчика струму в режимі стабілізації повинен бути не менше. Якщострум через світлодіоди вибирається досить великий, на струмовому сенсорівиділяється велика потужність. Наприклад, для струму 1,4 А потужність, щовиділяється на резисторі Rs буде близько 2 Вт. Це, звичайно, негативно впливаєна ККД джерела в цілому. Цього недоліку позбавлена схема показана нижче(Рисунок 3).
/>
Рисунок 3 — Схема підключення мікросхеми L5973D зі зменшеними втратами
Цей варіант підключення L5973D відрізняється від схеми показаної вищетільки тим, що сигнал з датчика струму Rs на вхід керування подається черездодатковий операційний підсилювач. Таким чином, можна зменшити втратипотужності на датчику струму. Необхідна напруга на датчику струму залежить відкоефіцієнта підсилення операційного підсилювача, що задається резисторами R1 іR2 і визначається по формулі: Urs=R1/R2*1.235В.
На рисунку 4 показаний варіант включення L5973D у якості перетворювача,що інвертує вихідну напругу по відношенню до вхідної.
/>
Рисунок 4 — Варіант включення L5973D у якості перетворювача, щоінвертує вихідну напругу
Особливістю такої схеми є те, що світлодіоди в ній підключені анодом дозагального проводу.
І, на останок, можна навести схему підвищувального-понижувальногоперетворювача на мікросхемі L5973D (Рисунок 5).
/>
Рисунок 5 — Варіант підвищувального-понижувального перетворювача
Особливістю цього схемотехнічного рішення є можливість схеми працювативід вхідної напруги як вище, так і нижче тої, що потрібна для живлення ланцюжкасвітлодіодів.
Таким чином, зазначена серія мікросхем забезпечує малі габаритикінцевого пристрою, високий ККД, високу частоту перетворення напруги,універсальність застосування для живлення світлодіодних світильників.
Особливої уваги при розробці потребують драйвери живлення світлодіоднихсвітильників, що живляться від мережі змінного струму.
Тут треба враховувати потужність цих пристроїв. При побудові джерелаживлення для світлодіодного світильника потужністю 25 Вт и більше необхідновраховувати вимогу — наявність у блоці живлення коректора коефіцієнтапотужності. Застосування коректора коефійієтта потужності призводить доподвійного претворення напруги. Подвійне перетворення негативне позначається націні й ККД готового джерела. Крім того, робота двох перетворювачів при високихнапругах вимагає від розроблювача високої кваліфікації на етапі проектування. Аотже, готовий виріб може виявитися неналежного рівня надійності. А це одне зголовних вимог для світлодіодних джерел живлення.
Для малопотужних джерел живлення світлодіодів від мережі коректор непотрібний, але й в цьму випадку може застосовуватися подвійне перетвореннянапруги за принципом: понижувальний стабілізатор напруги – понижувальнийстабілізатор струму. Такі рішення використовуються у випадках необхідностіотримання від джерела живлення світлодіодів спеціальних функцій, наприклад, можливостірегулювання яскравості світіння.
Для простого розв'язку завдання побудови джерела живленнясвітлодіодного світильника компанія Stmicroelectronics виробляє мікросхемуL6562А, за допомогою якої можна побудувати однокаскадний AC-DC перетворювач, щопоєднує коректор потужності й понижувальний Fly-back перетворювач. Це дозволяєзаощадити на найдорожчих компонентах — моткових виробах і силовихнапівпровідникових елементах. Відповідно збільшується ККД джерела, зменшуютьсятепловиділення, габарити й вага.
Один із прикладів застосування мікросхеми L6562 показаний на рисунку 6.
/>
Рисунок 6 — Приклад застосування мікросхеми L6562 для живленнясвітлодіодів
Як видно, на схемі високовольтний перетворювач виконаний за схемоюзворотноходового перетворювача, крім цього мікросхема L6562А виконує функціюкоректора потужності. Через вхід MULT з резистивного дільника мікросхемаодержує сигнал одного півперіоду вхідної напруги, отриманого після вхідного випрямляча.Форма вхідної напруги для ШІМ перетворювача є опорним сигналом, і струм черезсиловий ключ задається відповідно до отриманої форми вхідної напруги, томуспоживаний перетворювачем струм має синусоїдальну форму й збігається по фазі зживлячою напругою. На виході перетворювача одержуємо стабілізовану напругу задопомогою підсилювача неузгодженості на мікросхемі TL431. Є можливістьорганізувати опторазв’язку, а можна обійтися й без неї. Далі пропонуєтьсявикористовувати кілька окремих стабілізаторів струму для кожної лінійкисвітлодіодів.
Особливостями застосування мікросхеми L6265 є сполучення в одномукристалі функції AC-DС перетворювача й коректора потужності, низький коефіцієнтгармонік у мережі живлення, простота побудови схем і використання, високий ККД,низька вартість дизайну. Пристрої з використанням мікросхеми L6265 доцільновикористовувати у драйверах світлодіодних світильників для вуличного таархітектурного освітлення.
При проектуванні джерела живлення світлодіодного світильника завжди постаєпитання яке джерело живлення використовувати для живлення — гальваничнорозв'язане або гальванично пов'язане з первинною мережею. Прямої заборони навикористання того або іншого немає. Безпечність світильників регулюєнормативний документ ДС Р МЭК 60598-1-2003 «Світильники. Загальні вимоги йметоди випробування», відповідно до якого всі світильники діляться на три класипо захисту від ураження електричним струмом.
Клас I- захиствід ураження електричним струмом забезпечується основною ізоляцією й приєднаннямдоступних для дотику провідних деталей до захисного (заземленого) проводустаціонарної проводки таким чином, щоб доступні провідні деталі не могли статиструмоведучими у випадку ушкодження основної ізоляції;
Клас II-світильник, у якому захист від ураження електричним струмом забезпечуєтьсяосновною ізоляцією, застосуванням подвійної або посиленої ізоляції, і, який немає пристрою для захисного заземлення або спеціальних засобів захисту велектричній установці;
Клас III-світильник, у якому захист від ураження електричним струмом забезпечуєтьсязастосуванням безпечної наднизької напруги живлення (по даному документу до 50Ввключно).
Для кожного із цих класів установлені вимоги до електричної міцностіізоляції: Клас I — 2U+1000 В; Клас II — 4U+2750 В; Клас III — 500 В, де U — напруга живлення світильника, В.
При розробці самого світильника й джерела живлення до нього звикористанням AC/DС-перетворювача важливо забезпечити необхідну електричнуміцність виробу вибором матеріалів і конструктивних рішень. Наприклад, виріб покласу I може мати гальванічний зв'язок з мережею, але при цьому необхідно, щобдоступні для дотику струмопровідні деталі мали захисне заземлення йкомплектуючі й матеріали змогли забезпечити напругу пробою більш 1440 В міжвхідною клемою й корпусом виробу. Як варіант, можна застосувати у виробіджерело живлення, гальванічно не пов'язане з мережею, а необхідне значеннянапруги пробою (1,44; 3,63 кВ) забезпечити міжшаровою ізоляцією втрансформаторі.
/>/>/>2 Спеціальначастина/>/>/> 2.1 Характеристика елементної бази/>/>/> 2.1.1 Мікросхема VIPer17
На ринку виробників імпульсних джерел живлення (ІДЖ) широкупопулярність набули мікросхеми, вироблені фірмою Stmicroelectronics. Середінших аналогів їх відрізняє схемотехнічно бездоганна структура, яка дозволяєконструкторам ІДЖ легко й швидко створювати прилади, що вимагають мінімальногочисла зовнішніх елементів «обв'язки» ІС і в той же час повністю відповідатитвердим вимогам енергозберігаючої технології проектування (Blue Angel Eco).
Інтегральний контролер ІДЖ Vlperl7H(L) увібрав у себе ряд інноваційнихтехнічних рішень. Розроблювачі розмістили 26 композитних логічних блоків наодному кристалі, що дозволило розширити функціональні можливості ІС.
Інтегральний контролер ІДЖ Vlperl7H(L) містить силовий комутатор наоснові МДН транзистора й керуючий ШІМ. Дана мікросхема виробляється у двохваріантах конструктивного виконання: у корпусах DIP7 (Viperl7LN/Viperl7HN) іSO16-narrow (Viper17LD/Viper17HD). Індекси H (High) і L(Low) у найменуваннімікросхеми вказують на частоту вбудованого генератора — високу 115 кГц і низьку60 кГц відповідно. Призначення виводів мікросхем презентовано в таблиці 4.
світлодіодний освітлення живлення мікросхема
Таблиця 4 — Призначення виводів мікросхем Viper17DIP7 SO16 Найменування Функціональне призначення 1 1-4 GND Загальний вивід ІМС і джерела живлення 2 5 VDD Напруга живлення контролера, а також вихід зарядного струму для зовнішнього конденсатора при пуску ІДЖ 3 6 CONT
Керуючий вхід, що забезпечує роботу контролера у двох режимах:
• установка граничного значення струму польового транзистора в комутуючому імпульсі;
• контроль вихідної напруги 4 7 FB Керуючий вхід для установки коефіцієнта заповнення комутуючих імпульсів 5 10 BR Захист від зниження сіткової напруги 7,8 13-16 DRAIN Вивід стоку польового транзистора
Джерела живлення, виконані на мікросхемі Viperl7N(D), із зовнішнімтепловідводом здатні забезпечити вихідну потужність ІДЖ до 12 Вт в інтервалісіткової напруги 176...264 В и до 7 Вт в інтервалі 85...265 В. Якщо рольдодаткового тепловідводу на друкованій платі виконує фольгірований майданчикплощею приблизно 20 мм2, що перебуває в тепловому й електричному контакті звиводами 7,8 (DIP7) і 13 -16 (SO16) ІС, тоді потужність джерела живленні встандартному й розширеному інтервалі сіткової напруги становить 9 і 5 Втвідповідно.
/>
Рисунок 7 — Схема зворотноходового ІДЖ на основі ІС Viperl7
На рисунку 7представлена типова електрична схема зворотноходового (Flyback) ІДЖ на основіІС Viperl7. Контролер ШІМ, комутуючий транзистор, трансформатор, вихіднийвипрямляч, регульований стабілітрон U2 і оптоелектронний перетворювач,з'єднаний з виводом FB мікросхеми, утворюють замкнений контур регулюваннявихідної напруги. При збільшенні вихідної напруги до необхідного значеннявідкривається стабілітрон U2, діод, що випромінює в оптоелектронномуперетворювачі OPTO, впливає на перехід емітер-колектор фототранзистора,змінюючи його еквівалентний опір.
Контролер ШІМ регулює тривалість комутуючих імпульсів таким чином, щобзначення еквівалентного опору відкритого фототранзистора відповідало необхіднійнапрузі на навантаженні.
Щоб пояснити функціональні особливості контролера, розглянемо внутрішнюархітектуру ІС, показану у додатку А, і властивості окремих її блоків.
Силовий комутатор в ІС виконаний на основі МДН-транзистора, щовідрізняється особою електричною міцністю: пробивна напруга каналу стік-джерелостановить не менш 800 В. Це гарантує безпечне функціонування приладу у всьомуінтервалі вихідної потужності й швидкості зміни напруги на стоці du/dt. Опір каналу транзистора притемпературі 25°С у включеному стані не перевищує 25 Ом. На кристалі транзисторасформований спеціальний резистивний елемент Rsens, що дозволяє ефективновідслідковувати максимальне значення струму в кожному імпульсі комутації. Призниженні живлячої напруги менше 8 В блок SUPPLAY&UVLO виключає транзистор,захищаючи його від випадкового включення.
Високовольтний генератор пускового струму Istart-up у якості джерелавикористовує напругу на виводі стоку (DRAIN). Запуск можливий тільки післятого, як напруга на стоці перевищить граничне значення 80 В, тоді замкневимикач HV_ON, і на підключений до виводу VDD конденсатор С3 почне надходитизарядний струм 3 мА. Після зростання напруги VDD понад 14 В вимикач HV_ONрозмикається. Живлення мікросхеми здійснюватиметься від допоміжної обмоткитрансформатора імпульсами, що випрямляються діодом D2 і згладжуютьсяконденсатором С3.
Блок живлення й контролю напруги SIPPLAY&UVLO при збільшеннінапруги живлення понад 14 В подає живлення на всі блоки ІС, а також формує рядопорних напруг, необхідних для роботи вузлів мікросхеми. Автогенератор OSCILLATORчерез логічний блок TURN-ON LOGIC, керуючий режимом формування комутуючихімпульсів, впливає на вхід S RS-Тригера, встановлюючи на виході Q рівеньлогічної 1.
Для зниження спектральної щільності перешкод, створюваних комутуючимиімпульсами струму стоку в транзисторі й трансформаторі, центральна частотаавтогенератора примусово перебудовується з періодичністю 250 Гц у смузі 115 ± 8(або 60 ± 4) кГц. При цьому загальна енергія центральної спектральної складовоїкомутуючої частоти розподіляється серед гармонік з меншою амплітудою, що сприяєзниженню рівня електромагнітних завад.
Сигнал з виходу RS-Тригера підсилюється підсилювачем AMP, а потімнадходить на затвор транзистора, відкриваючи його канал стік-джерело. Упервинній обмотці імпульсного трансформатора й каналі транзистора виникаєпилкоподібний струм. На датчику Rsense струм стоку у кожному комутуючомуімпульсі транзистора перетворюється у пилкоподібну напругу, що прикладається довходу ШІМ, що неінвертує. Вбудований у мікросхему генератор струму Ifb,з'єднаний з виводом FB, створює на ньому деяку постійну напругу за рахунокрезистивного дільника. Постійна напруга з виходу дільника впливає на вхідкомпаратора, що інвертує,. При досягненні пилкоподібною напругою рівняпостійної напруги, заданої дільником, компаратор через логічний елемент OR1 іблок гасіння LEВ впливає на вхід R1 RS-Тригера, установлюючи на виході Qлогічний. 0. Канал польового транзистора закривається, і на цьому формуваннякомутуючого імпульсу завершується. Параметри дільника такі, що пікове значенняструму стоку транзистора не перевищує 0,4 А.
Конструктор може зменшити рівень обмеження струму в інтервалі значень0,4...0,1 А підключенням зовнішнього резистора Rlim = 5,1 — 100 кОм міжзагальним проводом і виводом CONT мікросхеми. У цьому випадку момент вимиканнятранзистора буде визначати логічний блок захисту від струмового перевантаженняOver Current Protection (OCP) BLOCK і ОСР 1-компаратор.
Для виключення насичення магнітопроводу імпульсного трансформатора, атакож зниження ризику ушкодження випрямного діода D3, запуск джерела живленняяк при включенні, так і при повторному включенні після виникнення несправностіздійснюється блоком SOFT START за допомогою функції «м'якого» старту. Протягом8,5 мс обмеження струму стоку транзистора наростає від мінімального домаксимально припустимого значення.
Спеціальний блок гасіння LEB (Leading Edge Blanking) протягом 0,3 мксне реагує на викиди напруги на початку пилкоподібного сигналу, що обумовленіперехідними процесами в ІДЖ. Ці викиди можуть викликати передчасне обмеженнятривалості комутуючого імпульсу й порушити нормальну роботу ШІМ-Компаратора.
По входу R2 RS тригера формування комутуючого імпульсу може бутиперерване також у випадку спрацьовування блоків теплового захисту ОТР (OverTemperature Protection) або захисту від перевищення вихідної напруги OVP (OverVoltage Protection).
Блок теплового захисту THERMAL SHUTDOWN у мікросхемі виробляє сигналОТР при нагріванні кристала до температури понад 160°С. Автоматичне включенняджерела живлення відбудеться після остигання кристала ІС до 130°С.
Блок захисту від перевищення вихідної напруги OVP LOGIC використовуєтрансформаторний зв'язок між вторинною й допоміжною обмотками, оскількиформовані ними напруги пропорційні числу витків. Тому для контролю вихідноїнапруги досить по входу CONT мікросхеми встановити резистивний дільникRovp/Rlim і відслідковувати напругу на даному виводі. Контроль напругиздійснюється стробіруванням на інтервалі 0,5 мкс у кожному комутуючому імпульсічерез 2 мкс після його фронту. Якщо ця напруга протягом чотирьох імпульсівпідряд перевищить значення 3 В, логічний блок захисту OVP LOGIC сформує сигналOVP, що перериває формування комутуючого імпульсу по входу R2 RS-Тригера.Стробірування напруги, її цифрова фільтрація, а також наявність у блоці OVPLOGIC лічильника числа перевищень різко знижують імовірність помилковогоспрацьовування захисту OVP від випадкових викидів напруги.
При вимиканні мережного живлення ІДЖ напруга на виводі VDD зменшуєтьсядо граничного значення 8 В, при цьому блок SUPPLAY&UVLO відключає шинувнутрішнього живлення ІС, заряд СЗ від допоміжної обмотки припиняється йнапруга на ньому знижується, оскільки комутуючий транзистор більше невключається. Напруга на конденсаторі С1 падає нижче 80 В, що унеможливлюєповторне включення ІДЖ. Дана функції необхідна для запобігання можливогоперезапуску пристрою після вимикання.
У мікросхему вбудований також блок аварійного захисту по струму другогорівня 2nd ОСР (Over Current Protection) LOGIC. При короткому замиканні витків вобмотках трансформатора, пробої випрямного діода D3, конденсатора С5 абозамиканні в навантаженні струм через комутуючий транзистор досягає небезпечногозначення 0,6 А, що виявляється спеціальним компаратором ОСР2.
Якщо кидок струму відбувся випадково, логічний блок 2nd ОСР LOGIK. ніякна нього не реагує. Але якщо сигнал струмового перевантаження виявленийпротягом двох комутуючих імпульсів підряд, транзистор буде виключений по входуR2 тригера. Під час відсутності комутуючих імпульсів напруга VDD знизиться дограничного значення 4,5 В, але сіткова напруга не відключена, і тому на виводіDRAIN присутня напруга 300 В. У результаті замкнеться вимикач HV_ON іввімкнеться високовольтний генератор пускового струму Istart-up. що виробляє втакому випадку струм 0.6 мА замість звичайних 3 мА. Враховуючи, що заряд СЗ донапруги 14 В здійснюється від низького рівня 4,5 В, при ушкодженні одного зелементів пристрою короткочасні спроби перезапуску будуть відбуватися черезтривалі часові інтервали; при цьому ІДЖ входить у режим перезапуску Hiccup Mode(«цикання»), під час якого силові кола зазнають ударного навантаження,безпечного для ІС.
Як згадувалося вище, стабілізація вихідної напруги джерела живленняздійснюється регулюванням тривалості комутуючих імпульсів. При цьому змінюєтьсянапруга на виводі FB мікросхеми, яка створюється генератором струму Ifb.Інтервал напруги 0,5..3,3 В відповідає нормальному режиму роботи, для якоговерхня границя інтервалу відповідає граничному значенню струму 0.4 А.
При спрацьовуванні аварійного захисту струму другого рівня, про щоговорилося вище, вихідна напруга значна нижче нормальної, а напруга на виводіFB короткочасно змінюється в інтервалі 3,3...4,8 В, що відповідає режимузахисту від перевантаження — OLP (Over Load Protection).
Але якщо навантаження справного джерела живлення виявиться настількивеликим, що конденсатор С5 не встигне зарядитися до нормальної напруги навітьпісля «м'якого» старту, що триває 8,5 мс, то напруга на виводі FB також можезрости до граничного значення 4,8 В. Щоб запобігти передчасному вимиканню ІДЖ,у контурі регулювання використовується інтегруючий конденсатор С4, що затримуєспрацьовування захисту при перевантаженні, що й забезпечує необхідну динамічнустійкість контуру регулювання при досить швидкій реакції на дестабілізуючіфактори.
Коли навантаження джерела живлення значно зменшується абовідключається, у контурі регулювання напруга на виводі FB знижується. Як тількинапруга поменшає на 50 мВ нижче граничного значення 0,5 В, блок BURST-MODE LOGICвиключає транзистор. Після вимикання транзистора контур регулювання зменшитьвихідну напругу ІДЖ, напруга на виводі зворотного зв'язку почне збільшуватися йперевищить поріг включення, відновляючи роботу комутуючого транзистора накороткий час, що відповідає режиму формуванні пачок комутуючих імпульсівBurst-mode.
Не менш важливою функціональною властивістю мікросхем нового поколінніє так званий «захист Brown-out» — функція нефіксованого відключення джерелаживлення при виявленні надмірного зниження сіткової напруги. У реальних умовахсіткова напруга може довільно змінюватися в припустимих межах. Використовуючифункцію Brown-out, конструктор може вибрати деяке значення низької вхідноїнапруги Vin-off, при якім відбувається вимикання ІДЖ, і напругу повторноговключення Vin-on. Для правильного функціонування джерела живлення напругаVin-on повинна бути менше, ніж амплітудне значення мінімальної сітковоїнапруги, а напруга Vin-off менше, ніж мінімальна напруга на вхідномуконденсаторі С1, що згладжує, при мінімально можливій сітковій напрузі ймаксимальному навантаженню.
Для реалізації функції Brown-out випрямлена сіткова напруга подаєтьсяна резистивний дільник Rh/Rl. Щоб правильно розрахувати номінальні значеннярезисторів з урахуванням обраних значень напруг
Vin-on і Vin-off, необхідно скористався співвідношеннями, якіприводяться в довідкових даних на мікросхему.
З виходу дільника напруга подається на вивід BRмікросхеми, а потім на вхід Br-Компаратора, що інвертує, у якому вонапорівнюється з опорною напругою 0.45 В. До входу компаратора, що інвертує,також підключений генератор струму Ibr, що забезпечує гістерезис 50 мВ щодоопорної напруги 0.45 В, що необхідно для виключення безладного спрацьовуваннякомпаратора.
Поки напруга на вході Br-Компаратора менше граничної, на його виходісигнал Vin_OK = 0 забороняє роботу ШІМ-Компаратора й комутуючого транзистора.Цей же сигнал через інвертор підтримує генератор струму Ibr у включеному стані.Як тільки напруга на виводі BR перевищить опорну напругу на 50 мВ. сигнал Vinok= 1 відключить генератор струму, одночасно включаючи ШІМ-Компаратор ікомутуючий транзистор. При зниженні напруги на виводі BR нижче опорної джереложивлення виключиться, залишаючись у готовності до повторного включення.
Якщо при проектуванні ІДЖ використання функції Brown-out непередбачається, вивід BR з'єднують із загальним проводом./>/>/>2.1.2 Мікросхема STCS05
Компанія STMicroelectronics випускає просту та дешеву мікросхемустабілізатора струму світлодіодів STCS05. Вона призначена для живленнясвітлодіодів від низьковольтних джеререл з напругою 5, 12, 24 В. Максимальнанапруга може бути 40 В. Мікросхема забезпечує вихідний струм до 0,5 А. При цьомупадіння напруги на регулюючому транзисторі мікросхеми не превищує 0,5 В.
До додаткових функцій мікросхеми відноситься:
– Можливість регулювати яскравіть світлодіодівширотно-імпульсною модуляцією вихідного струму;
– Можливість відключати роботу мікросхеми сигналомуправління;
– Можливість сигналізації обриву в ланцюжкусвітлодіодів.
Структурна схема мікросхеми STCS05 показана на рисунку 8.
/>
Рисунок 8 — Структурна схема мікросхеми STCS05
Мікросхема випускається в корпусі SO-8. Призначення виводів показано втаблиці 5.
Таблиця 5 — Призначення виводів мікросхеми STCS05
Номер
виводу
Позна-
чення Призначення 1 Vcc Вивід підключення вхідної напруги 2 PWM Вхід регулювання яскравості світтіння методом ШІМ 3 EN Вхід дозволу роботи мікросхеми 4 DRAIN Вивід, до якого подключений сток внутрішнього N-канального МДН транзистора, призначений для підключення навантаження 5 FB Вивід, до якого підключається зовнішний резистор програмування вихідного струму 6 GND Вивід загальний 7 N.C. Вивід не використовується 8 DISC Вивід сигналізації обриву в колі навантаження
Робота мікросхеми відбувається таким чином. Коли на мікросхему подананапруга живлення та на вхід EN подається логічний 0, блок логіки EN&ШІМвідключає (Shutdown) всі внутрішні вузли мікросхеми, її споживання в такомувипадку не перевищує 2 мкА. При логічній 1 на вході EN робота мікросхемидозволена. Для регулювання середнього струму світлодіодів сигнал PWM через блоклогіки EN&ШІМ управляє блоком логіки драйвера силового МДН транзистора,закриваючи його низьким рівнем та відкриваючи високим. Частота сигналу PWM можеобиратися в межах 5 – 50000 Гц.
Напруга, що поступає з зовнішного резистора програмування струму черезвхід FB, порівнюється з опорною у 100 мВ компаратором, який в свою чергуздійснює управління силовим транзистором для підтримки встановленного струму.
Величина опору резистора встановлення струму світлодіодів визначаєтьсяспіввідношенням Rf = 100 мВ/Iled. Для прикладу, при струмі світлодіодів 350 мАопір резистора буде Rf = 100 мВ/350 мА = 0,284 Ом.
Коли мікросхема знаходиться в робочому стані (EN=1), вона можевідслідковувати аварійний стан в ланцюжку світлодіодів шляхом моніторінгунапруги на виводі DRAIN. Якщо ця напруга стане менше 75 мВ, DISC-компараторвстановить низький рівень напруги на виводі DISC.
Мікросхема має в своєму складі крім внутрішних джерел напруг живленнята джерел опорних напруг ще й блок захисту від перегріву.
Типова схема вмикання мікросхеми STCS05 показана на рисунку 9.
/>
Рисунок 9 — Типова схема вмикання мікросхеми STCS05
В цій схемі елементи Rin, Cbyp утворюють фільтр в колі живленнямікросхеми. Діод, що вмикається послідовно з Rin потрібний для захистумікросхеми та світлодіодів від подачи невірної полярності напруги живлення.Конденсатор Cdrain шунтує силовий МДН транзистор та запобігає появі викидівструму через світлодіоди при його ШІМ регулюванні./>/>/>2.2 Розрахунок параметрів елементів схеми драйвера
Драйвер білих світлодіодів призначений для живлення трьох світлодіодівпотужністю 1 Вт від мережі змінного струму напругою 220 В. Світильник, що має всвоєму складі цей драйвер, призначений для створення інтер’єрного підсвічуванняв приміщенні домашнього кінотеатра і управляється автоматизованою системою. Світильникможе використовуватися для створення світлового фону для комфортного сприйняттяекрану або для підсвічування у затемненому приміщенні нерівностей підлоги.Особливістю драйвера є можливість автоматичного регулювання яркості взалежності від режиму роботи кінотеатра.
Драйвер будується за допомогою двоступеневого перетворення напругимережі. При першому перетворенні змінна напруга мережі перетворюється устабілізовану постійну напругу 12 В. При другому перетворенні стабілізовананапруга поступає на стабілізатор струму світлодіодів, який обладнуєтьсясистемою регулювання яскравості методом широтно-імпульсної модуляції.
Світлодіоди, якими управляє драйвер, мають такі параметри:
– Колір білий, зелений або голубий;
– Пряме падіння напруги – 3,6 В;
– Динамічний опір – 1 Ом;
– Прямий струм – 350 мА.
Аналіз параметрів світлодіодів формує вимоги до джерела живленняпершого перетворення напруги. Очевидно, що вихідна напруга цього джерелаповинна бути 12 В при струмі 400 мА, припустимим рівнем пульсацій вихідноїнапруги можна вважати 5% від номінальної.
Аналіз елементної бази показує, що для побудови цього джерела доцільновикористовувати мікросхему Viperl7. Розрахунок параметрів схеми можна виконатиза допомогою спеціалізованої програми SMPS@eDisign Studio, яка призначена длярозробки джерел живлення на мікросхемах фірми STMicroelectronics. Слід особливозазначити, що використання спеціалізованих програм виправдано тим, що значноскорочується час розробки готових виробів, а розроблювач застрахований відпомилок при ручних розрахунках.
Головне вікно програми показано на рисунку 10.
/>
Рисунок 10 — Головне вікно програми SMPS@eDisign Studio
Головне вікно складається з декількох областей. В лівій області требаввести дані, що характеризують майбутнє джерело живлення. У нашому випадку цевхідна постійна напруга від 266 до 380 В, що відвовідає припустимому робочомудіапазону напруги мережі змінного струму 185 – 265 В після випрямляння. Вихіднанапруга майбутнього джерела буде 12 В при струмі 0,4 А.
В правій області програма запропонує перелік мікросхем, придатних дляреалізації такого проекту. Після вибору певної мікросхеми (наприклад,VIPer17HN) програма запропонує топологію схеми та надасть її короткухарактеристику.
Якщо вибір мікросхеми зроблено, можна натисканням кнопки Start Designпереходити безпосередньо до розробки проекту.
Відповідно до обраного дизайну програма видасть схему електричнупринципову перетворювача з параметрами елементів (Рисунок 11).
/>
Рисунок 11 — Схема електрична принципова першого перетворювача
Натисканням на позначку викрутки на схемі можна внести деякі зміни усхему(наприклад, замість RC кола, що демпфірує викиди напруги на виводі DRAINмікросхеми використати коло з обмежувачем напруги – TVS діодом).
Крім схеми програма в графічній формі представляє форму струму танапругу на виводі DRAIN мікросхеми (Рисунок 12).
/>
Рисунок 12 — Форма напруги та струму на виводі DRAIN
На верхній діаграмі показані діаграми при мінімальній вхідній напрузі ана нижній – при максимальній. Як видно, при мінімальній вхідній напрузі часвідкритого стану силового ключа мікросхеми збільшується при одночасномузбільшенні величини струму. На діаграмах також показаний рівень у обмеженняструму силового ключа у 0,2 А.
Розраховані за допомогою програми втрати потужності на елементах схемипоказані на рисунку 13.
/>
Рисунок 13 — Розподіл втрат в компонентах схеми перетворювача
Як показує діаграма потужність, що споживається навантаженням складає4,8 Вт, при чому драйвер споживає від мережі 6,01 Вт. Таким чином ККД перетворювачаскладає 79,86%. Найбільші втрати потужності забезпечують:
– Силовий транзистор мікросхеми при перемиканні – 357мВт;
– Імпульсний трансформатор – 266 мВт;
– Вихідний діод та вихідний конденсатор – 222 мВт;
– Коло демпфірування – 272 мВт.
Слід зазначити, що ККД схеми перетворювача залежить від рівня вхідної напругита потужності, що споживається навантаженням. Залежність показана на рисунку 14.
/>
Рисунок 4 — Залежність ККД перетворювача від потужності споживання
Загальні втрати драйвера світлодіодів складаються з втрат в схеміперетворювача та втрат в колі стабілізатора струму на мікросхемі STCS05.Останні розраховуються за формулою:
/>,(1)
де Vdrain = (12 – 3*3,6) = 1,2 В – падіння напруги на силовомутранзисторі, Vfb = 100 мВ — напруга на резисторі датчика струму, Iled = 350 мА– робочий струм світлодіодів, Vcc = 12 В – напруга живлення мікросхеми, Icc =500 мкА – струм споживання мікросхеми.
Таким чином Pd = (1,2 – 0,1)*0,35 + 12*0,0005 = 391 мВт, тобто загальнівтрати у схемі драйвера будуть близько 1,5 Вт, а ККД біля 70%, що є цілкомприйнятною величиною./>/>/>2.3 Схема принципова драйвера білих світлодіодів
Принципова схема драйвера білих світлодіодів показана у додатку Б.
Напруга мережі 220 В поступає на схему через рознімання Х1,випрямляється діодним містком VD1 та фільтрується конденсатором С1. Далівипрямлена напруга подається на зворотноходовий перетворювач. Контролеромперетворювача є мікросхема DA1 VIPer17, до стоку внутрішного силовоготранзисторного ключа якої підключена первинна обмотка імпульсноготрансформатора Т1. Первинна обмотка зашунтована демпфіруючим колом на діодахVD3, VD4. З допоміжної обмотки трансформатора випрямлена діодом VD2 напругавикористовується для живлення мікросхеми DA1 в сталому режимі роботи. З цієї жобмотки випрямлена діодом VD3 напруга використовується для задання рівняобмеження максимального струму силового ключа. Вона дається на вхід CONT DA1 здільника R2, R3.
З вихідної обмотки трансформатора напруга випрямляється діодом VD6 тафільтрується конденсатором C5. Ця напруга живіть джерело стабілізованогоструму, яке побудоване на мікросхемі DA3 STCS05. Струм світлодіодів VD8-VD10задається резистором R9.
Випрямлена напруга з вторинної обмотки також використовується у колізворотного зв’язку для стабілізації напруги зворотноходового перетворювача.Коло зворотного зв’язку побудоване на елементах DA2, DA3. Зміна напруги наконденсаторі C5 внаслідок дестабілізуючих факторів за допомогою мікросхеми DA3перетворюється у зміну струму світлодіода оптопари DA2, який, в свою чергу,передає ці зміни через управління фототранзистором оптопари на вхід FBмікросхеми DA1.
Управління яскравістю світлодіодів здійснюється шляхом подачиширотно-модульованого сигнала рівня TTL на контакти рознімання Х2.
/>/>/>Висновки
В загальній частині дипломної роботи накреслені перспектививикористання світлодіодів в освітленні. Відзначено, що використаннясвітлодіодів найближчим часом буде йти випереджальними темпами. Однією з причинширокого застосування світлодіодів в освітленні є їх значна перевага з точкизору енергозбереження. Для живлення світлодіодів потрібні спеціальніконтролери, огляд популярних контролерів живлення світлодіодів наведено взагальній частині.
В спеціальній частині роботи наведено аналіз мікросхем драйверівсвітлодіодів фірми STMicroelectronics, розглянуті їх основні режими роботи.
За допомогою програми SMPS@eDisign Studio виконані розрахункипараметрів елементів схеми драйвера білих світлодіодів із живленням від мережі220 В. За допомогою програми та розрахунків визначений ККД драйвера. Розробленасхема драйвера, надано опис її роботи.
/>/>/>Додаток А –Функціональна схема контролера VIPer17. Плакат
/>
/>/>/>Додаток Б –Драйвер білих світлодіодів. Схема електрична принципова. Плакат
/>