Источник тока для мощных светодиодов с питанием от сети 220 В 50 Гц

Импульсный блок питания светодиодов представляет собой выпрямитель с фильтром и понижающий преобразователь с обратной связью по току.

Для построения источников тока для мощных светодиодов часто используются микросхемы ШИМ-контроллеры Supertex HV9910B, HV9961. Стандартные схемы включения этих микросхем мало отличаются, при некоторых условиях они взаимозаменяемы.

HV9961 более дорогая, т.к. обеспечивает контроль среднего тока светодиодов, а не пикового. Есть другие отличия, о которых можно прочесть на сайте производителя, документ AN-H64.

Я взял HV9961, говорят, она более живуча. Расчет, изготовление и тестирование источника на микросхеме HV9961 под катом.

Мне нужен был блок, питающий током 750 мА 10 СИДов Cree XM-L. Оценим выходное напряжение блока: Vout = 10 * Vled при 750 мА = 29 В. Пусть пульсации тока будут меньше +-15% (я не знаю, как их величина влияет на работу светодиодов).

Имелся корпус G1022BF, что накладывает ограничения на размер платы блока питания. Таким образом, исходные данные:
напряжение питания: 220 В, 50 Гц;
выходное напряжение: 30 В;
выходной ток: 750 мА;
пульсации тока: менее +-15%;
размер платы: менее 100х60 мм.

За основу берем стандартную схему включения:

Это понижающий преобразователь, для простоты ток измеряется в цепи истока переключающего транзистора и усредняется. На контакт Vin можно подавать высокое напряжение, которое питает встроенный регулятор напряжения 7,5 В, вывод регулятора – Vdd. PWMD и LD служат для плавной регулировки тока светодиодов. Резистор Rt задает частоту переключения (точнее, время паузы), Rcs – ток на СИДах. При питании от сети 220 нужно добавить выпрямитель и фильтр.

Расчет схемы

1. Частота переключения. Частота переключения в схеме не фиксированная, задается только время паузы. Для номинальных напряжений на входе (310 В после выпрямителя) и выходе коэффициент заполнения . С другой стороны, , где tu – время проводимости, tn – время паузы, f – частота переключения. Сопротивление резистора Rt определяется из выражения . Возьмем Rt = 330 кОм, это соответствует времени паузы 13,5 мкс и номинальной частоте 73 кГц. Чем выше частота, тем меньшего размера будет катушка и тем больше потери на переключение на транзисторе.

2. Регулировка тока. Токозадающий резистор. Rcs = 0.272 В / Iled = 0,363 Ом. Я решил взять Rcs = 0,33 Ом, т.е. 3 резистора по 1 Ом в параллель, что соответствует току 824 мА и сделать плавную регулировку тока с помощью вывода LD микросхемы. В описании сказано, что регулировка тока осуществляется, когда на выводе LD напряжение от 0 до 1,5 В. Подключаем делитель напряжения к напряжению 7,5 В. Необходимые сопротивления несложно посчитать, результат показан на окончательной схеме.
Можно проверить, сколько мощности выделяется на токозадающих резисторах: 824 Ма*272 мВ = 224 мВт, на каждом резисторе 75 мВт. Используем типоразмер 0805 (125 мВт).

3. Катушка индуктивности. Для пульсаций тока менее +-15% (полный размах 0,3*750 мА) индуктивность должна быть больше

Пиковый ток на катушке будет 750 мА +15% = 863 мА. Готовые катушки с такими параметрами найти непросто, поэтому придется изготавливать самостоятельно.
Имелся эмальпровод с внешним диаметром 0,7 мм, исходя из этого, по прикидочным расчетам был подобран сердечник КВ10 (аналог RM10), феррит М2500НМС1 (аналог N27).
Кратко опишу расчет дросселя. Чтобы сердечник не насыщался, необходимо ввести зазор. В начале наматываем максимальное число витков, которые влезают в окно сердечника. У меня получилось 6 слоев по 15 витков с запасом для компаунда, всего 90 витков. Далее вводим максимальный зазор для необходимой индуктивности. Можно считать вручную, я считал в программе EPCOS MDT для RM10 N27. Получаем для суммарного зазора 0,6 мм (прокладки между сердечниками по 0,3 мм) значение Al = 200 нГн и L= Al * N^2 = 1,62 мГн. Индуктивность получилась немного меньше, значит пульсации побольше +-15%, что меня устроило.
Теперь надо посчитать индукцию при максимальном токе и убедиться, что сердечник не насыщается. По формуле 8 из [2] и данным из программы (Al = 200 нГн, mui = 71) для тока 1 А (с запасом) получаем индукцию 183 мТл, что меньше 300 мТл и, значит, насыщения нет.
В итоге изготавливаем дроссель на сердечнике КВ10 М2500НМС1 с прокладками 0,3 мм с 90 витками эмальпроводом с внешним диаметром 0,7 мм. Желательно залить клеем или лаком после изготовления.

4. Транзистор. Транзистор должен с запасом выдерживать максимальное входное напряжение 310 В. Выберем транзистор с максимальным напряжением сток-исток 500 В. Максимальный среднеквадратичный ток через транзистор Iout*sqrt(Vout/Vin) = 240 мА. Ток небольшой, его выдержит любой мощный полевик. Главный параметр для выбора – емкость или заряд затвора. Производитель микросхемы рекомендует заряд менее 25 нКл. Я взял IRF830A с максимальным зарядом затвора 24 нКл. Мощность, выделяющуюся на полевике, посчитать непросто, но радиатор явно не помешает.

5. Диод. Для диода те же требования по напряжению, что и для транзистора. Средний ток через диод Iout*(1 – Vout/Vin) = 680 мА. Выбираем SF28 600 В, 2 А. Падение напряжения на нем 1,5 В, значит будет выделяться мощность 1,5 В* 0,68 А = 1 Вт. Я решил использовать диод без радиатора. Для диода еще важным считается параметр время обратного восстановления, от него зависят потери на переключение, но расчет их довольно сложный и я его не проводил.

6. Входной конденсатор. Емкость выбирается исходя из условия, что минимальное напряжение после входного фильтра должно быть больше 2*Vout. В AN-H48 есть формула для расчета:

Для частоты 50 Гц, Vdc = 60 В и КПД 90% получаем С1>6,5 мкФ. Был выбран конденсатор 47 мкФ, 400 В исходя из габаритов и доступности. Параллельно установлен пленочный 0,47 мкФ 450 В для уменьшения ESR.
Замечание от sanmigel:
если внимательно почитать документацию на 9910 то можно увидеть что условие Vout<0.5 Vin имеет значение для режима с постоянной частотой, в этом режиме при коэффициенте заполнения более 0,5 лезут гармоники, поэтому для их снижения рекомендуют его ограничить в 0,5. 9961 работает в режиме констант офф тайм, в таком режиме коэффициент заполнения для 9961 может быть до 0,75 (для 9910 до 0,8). Дока
Окончательная схема:

Схема в пдф
Кратко об остальных элементах схемы:
F1 – предохранитель 2 А, может быть, лучше поставить на меньший ток. С1 – фильтр от помех в сеть, подсмотрено в демоплате Supertex, можно не устанавливать. DB104S – диодный мост 400 В, 1 А. RT1 – NTC термистор, он ограничивает ток при включении источника, подробнее можно почитать здесь. Термистор устанавливать не обязательно. C4 – выходная емкость для уменьшения высокочастотных выбросов на нагрузке. D2 – стабилитрон на 75 В, улучшает тепловой режим микросхемы HV9961. Можно считать, что HV9961 потребляет 2 мА, тогда на стабилитроне выделяется мощность 150 мВт, на микросхеме 600 мВт. P3 – джампер для отключения источника, включенное положение – средний контакт замкнут на питание. С6 обеспечивает мягкий старт, ставить не обязательно. С5 – блокировочнй конденсатор, ставить обязательно, емкость около 0,1 – 2,2 мкФ.

Печатная плата

Трассировка играет важную роль в работе импульсных преобразователей, поэтому печать делалась на основе платы производителя.
Получилась двухсторонняя плата 95 х 55 мм, при желании можно верхнюю сторону сделать двумя перемычками.

Плата в пдф под ЛУТ
Проект Altium Designer
Входной и выходной разъемы с шагом 3,96 мм, джампер с шагом 2,54 мм, подстроечник типа 3296W. Предусмотрено место для радиатора транзистора. Используется держатель для предохранителей 5*20. Конденсатор С2 имеет размер 16*25 мм. Конденсатор C1 тип B32922-A2104-K, конденсаторы С3 и С4 – тип B43828A9476M000.

После сборки:


Плату можно использовать и для HV9910B, но надо будет пересчитать резисторы для плавной регулировки тока, чтобы напряжение на выводе LD было 0-250 мВ и токозадающие резисторы исходя из напряжения 250 мВ на них. Еще одно отличие – резисторами будет устанавливаться пиковый ток, а не средний.

Результаты тестирования.

Схема была подключена к сети 220, в качестве нагрузки были использованы 10 белых светодиодов Cree XR-E, ток был установлен на уровне 840 мА.
Ток (желт., 200 мА/дел) и напряжение (син., 100 В/дел) на входе:

Пиковый ток потребления около 400 мА.

Напряжение на истоке транзистора:


Напряжение на затворе:


Напряжение на стоке:


Ток (желт., 455 мА/дел) и напряжение (син., 10 В/дел) на выходе:

Средний ток около 850 мА, среднее напряжение около 36 В. В данном случае, в выходное напряжение входит также падение напряжения на резисторе 2,2 Ом, который включался для измерения тока.

Пульсации тока (желт., 45,5 мА/дел) и напряжения (син., 500 мВ/дел) на выходе:

Пульсации тока менее 140 мА, т.е. 16%.

Оценка КПД. У меня нет true RMS мультиметра, поэтому точность измерения входного тока под вопросом. Действующее значение входного тока 141 мА, входного напряжения 227 В, входная мощность 32 Вт. Средний выходной ток 840 мА, выходное напряжение 33,5 В, выходная мощность 28 Вт. Получается КПД 87,5%.

Температурный режим. При комнатной температуре 23 С радиатор транзистора разогревается до 67 С, остальные элементы схемы нагреваются меньше. Лучше поставить радиатор побольше.

Я постарался подробно описать процесс расчета схемы импульсного преобразователя, надеюсь, эта информация поможет читателю в его разработках.
Схемы других источников тока для светодиодов можно посмотреть в теме на форуме easyelectronics.ru.
Критикуйте и задавайте вопросы, пожалуйста! 🙂

Литература.
[1] Б. Ю. Семенов — Силовая электроника для любителей и профессионалов.
[2] А. Кузнецов – Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html
[3] А. Евстифеев — Практический опыт применения микросхемы Supertex HV9910 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2009_12_78.pdf
Источник

Оставить комментарий

Вы можете использовать следующие теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>