Высокоэффективное устройство питания для светодиодных источников освещения

Сегментация сфер применения светодиодов в освещении по диапазону используемых мощностей и специфике приложений используется многими компаниями, в том числе и компанией Texas Instruments (TI), для классификации своих решений в области питания светодиодов. Эта классификация не включает в себя некоторые специальные применения -такие, как медицинская техника, портативные устройства и транспортная светотехника, которые требуют отдельного рассмотрения.

Отметим для каждого сегмента характерные особенности, которые нужно учитывать при разработке драйвера - так, например, в приложениях внутреннего освещения в частном секторе чаще всего речь идет о компактных светильниках с небольшими мощностями (до 25 Вт) и световым потоком до 3000 лм. Сегмент коммерческого освещения характеризуется диапазоном мощностей 15…75 Вт и световым потоком до 10000 лм.

Уличное и промышленное освещение требует наиболее мощных светильников (до 250 Вт), обеспечивающих световые потоки порядка 2500...30000 лм, в зависимости от типа светильника.

Также есть ряд критериев, необходимых почти во всех применениях:

• -    невысокая стоимость драйвера при серийном производстве;

• -    высокая электрическая эффективность (потери в драйвере приведут к увеличению размеров устройства и снизят экономичность светильника);

• -    надежность (в большинстве случаев светодиодная техника позиционируется как необслуживаемая);

• -    корректор коэффициента мощности (ККМ) (в соответствии с действующими стандартами).

Следует также учитывать достаточно большой номенклатурный диапазон светодиодных светильников, предназначенных для прямой замены ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп, то есть так называемые светодиодные лампы с цоколем E27. Такая светодиодная лампа вкручивается в стандартный патрон лампы накаливания [1, с.25-32].

Семейства драйверов, предлагаемых TI, позволяют решать достаточно широкий спектр задач, возникающих при проектировании светодиодной техники: от портативной техники до уличного прожекторного освещения.

В данной статье представлен вариант разработки малогабаритного устройства питания (УП) светодиодов с применением ИМС TPS92010 фирмы Texas Instruments. Устройство питания ориентировано на те области применения, которые будут востребованы в актуальных для российского рынка областях применения и помогут полностью раскрыть потенциал светодиодов как перспективных источников света.

При разработке малогабаритного УП светодиодов, включая светодиодные лампы возникает проблема отвода тепла, выделяющегося в малом объёме, так как перегрев светодиодов нежелателен. Источником тепла в светодиодном светильнике, кроме самих светодиодов является устройство питания. К УП предъявляются жёсткие требования [2, с.1821]:

• -    гальваническая изоляция светодиодов от сети,

• -    высокий КПД,

• -    малые габариты, обеспечивающие возможность встраивания в корпус лампы,

• -    низкая себестоимость в массовом производстве.

Если светодиоды размещать на печатной плате с алюминиевым основанием, то вполне возможна реализация УП без гальванической развязки. Производители печатных плат на алюминиевом основании гарантируют электрическую прочность на уровне

• 1,5-3,0 кВ. Однако на практике это не всегда так. В этой связи, предпочтение следует отдавать УП с гальванической изоляцией, но и не следует забывать об УП без гальванической развязки, если обеспечивается необходимый уровень электрической прочности материала.

Исходя из общих требований к УП для светодиодных светильников, а также учитывая особенности их применения сферах жилищно-коммунального хозяйства, быта, промышленных предприятий технические требования к устройствам питания светодиодных ламп можно представить следующим образом:

• -    рабочий диапазон напряжения питания: 90-260 В (переменное);

• -    световой поток: 400 лм, 800 лм, 1200 лм;

• -    ток питания светодиодов: 325-350 мА.

Принципиальная электрическая схема УП на основе ИМС TPS92010, выполненного согласно схемотехнике понижающего преобразователя с гальванической изоляцией нагрузки представлена на рисунке 1. Рассмотрим ключевые моменты схемотехники данного решения. Это УП построено по стандартной обратноходовой (flyback) схеме, наиболее эффективной в низком диапазоне мощностей. Использование одного трансформатора, высоковольтного (500…600 В) MOSFET-транзистора и одного диода на выходе является в данном применении относительно недорогой конфигурацией. Входной фильтр базируется на стандартном дросселе и двух конденсаторах, обеспечивая разработке соответствие классу «B» по электромагнитной совместимости в соответствии с стандартом FCC . Ток нагрузки измеряется на резисторе R 17, уровень усиливается усилителем на микросхеме DA 1 и подается на вывод 3 микросхемы TPS92010 через оптопару. В соответствии с этим сигналом контроллер TPS92010 осуществляет управление работой транзистора VT 1. Цепь контроля димминга [3, с.26-32] состоит из двух частей: триггер (транзисторы VT 2, VT 3), детектирующий диммирование во входной цепи, и усилитель ( VT 4), корректирующий отпирающее напряжение для уменьшения тока через светодиоды при работе диммера.

С учётом специфики работы импульсных источников питания с ШИМ [4, с.211-220], произведён расчёт режима работы ИМС TPS92010 [5, 6], а также ряда её внешних навесных компонентов.

В качестве исходных данных для расчёта светодиодной лампы, выберем следующие:

• 1)    диапазон напряжения питания: 100 – 265 В (переменное),

• 2)    число последовательно включенных светодиодов: 7,

• 3)    прямое падение напряжения на одном светодиоде: 3,6 В,

• 4)    полное падение напряжения на светодиодах: U LED =7 х 3,6=25,2 В.

Начальный режим работы ИМС TPS92010:

• -    номинальная частота работы ШИМ: f SW =130 кГц,

• -    номинальный рабочий ток светодиодов: I LED(AVE) =325 мА,

• -    изменение тока светодиодов при изменении напряжения питания (обычно от 15 % до 30 % относительно I LED(AVE) ): Δi =0,3 х 325=96 мА,

• -    минимальное значение КПД: 80 %.

  

  Рис. 1. Схема электрическая принципиальная УП светодиодов с гальванической изоляцией

  нагрузки

  
  

Коэффициент заполнения импульсного выходного сигнала ШИМ:

U LED ^U IN

tON tON + OFF

= t ON

■ fsw ,

где - U LED – полное падение напряжения на светодиодах (25,2 В),

• -   U IN   – напряжение питания светодиодов (сформированное  AC-DC

преобразователем),

• -    t ON – время включенного состояния транзистора VT 1,

• -    t OFF – время выключенного состояния транзистора VT 1,

• -    f SW – частота ШИМ.

С учётом КПД, коэффициент заполнения можно выразить следующим образом:

D = U L . 1 , ^UN П

где ƞ – КПД.

На основании принципиальной электрической схемы, приведённой на рис. 1 была разработана и изготовлена экспериментальная печатная плата УП для светодиодов. Форма и размеры печатной платы выбраны исходя из размеров корпуса светодиодной лампы с цоколем Е27. Для светодиодов была изготовлена печатная плата (светодиодный кластер) для размещения семи светодиодов. В дальнейшем был произведён эксперимент, в котором светодиодная лампа подключалась к питающей сети, напряжением 220 В.

Разработка топологии печатной платы УП для светодиодной лампы проводилась в свободно распространяемой САПР Sprint-Layout 5.0.

Изготовление печатной платы проводилась на основе двустороннего фольгированного текстолита типа FR-35.

Топология печатной платы – двусторонняя.

Размер печатной платы – 60 х 20 мм (широкая часть для корпуса) плюс 20 х 15 мм для цоколя (таким образом, общая длина платы УП – 80 мм).

Использованы элементы для поверхностного монтажа (чип-элементы), а также элементы для навесного монтажа.

• В ысота навесных компонентов не превышает 10 мм. Такое конструктивное исполнение целесообразно, так как плата УП должна располагаться внутри корпуса лампы.