При разработке предлагаемого устройства была поставлена задача создания светодиодной лампы, потребляющей от сети 220 В меньше 10 Вт, с большей по сравнению с лампой накаливания мощностью 100 Вт яркостью свечения. Основой преобразователя напряжения блока питания светодиода выбрана микросхема HVLED805 [1]. Она позволяет стабилизировать ток светодиодной нагрузки без использования оптронов, датчиков напряжения и тока в цепи нагрузки, в результате чего блок питания существенно упрощается. Проектирование было облегчено программой автоматизированного расчёта преобразователя, о которой подробно рассказано в статье [2].
Рис. 1
Стабильный ток через применённый светодиод SPHCWTHDD803WHROJC при 9 Вт потребляемой мощности должен быть равен 0,51 А (см. табл. 2 в [3]), что примерно на 10% больше вычисленного программой максимального тока 0,45 А. После увеличения предложенного программой типоразмера магнитопровода с ЕЕ13 до ЕЕ16 необходимо проверить, что преобразователь сможет обеспечить требуемый режим светодиода. Убедиться в этом позволит контроль параметров изготовленного устройства. Для корректирования режима преобразователя потребуется заново пересчитать сопротивления резисторов в делителе импульсного напряжения, подаваемого на вывод DMG микросхемы, а также датчика тока. Для этого необходимо воспользоваться расчётными формулами из справочного листка [1] или технического описания микросхемы [4]. Также можно применить приложенную к статье разработанную автором электронную таблицу Iamp805.xls. Такой откорректированный результат проектирования преобразователя для питания светодиода SPHCWTHDD803WHROJC стабилизированным током 0,51 А иллюстрирует принципиальная схема, показанная на рис. 1.
Терморезистор RK1 уменьшает импульс тока в момент включения в сеть. Диодный мост VD1 выпрямляет напряжение сети Конденсаторы С1 и С2 сглаживают пульсации выпрямленного напряжения. Эти конденсаторы и дроссель L1 образуют фильтр, который подавляет импульсные помехи из питающей сети, а также препятствует проникновению в неё высокочастотных пульсаций, создаваемых преобразователем. Импульсный трансформатор Т1 имеет одну первичную обмотку (I) и две вторичные (II и III). Первичная (I) зашун-тирована цепью из встречно-последо-вательно соединённых защитного диода VD2 и обычного VD3, которая ограни чивает напряжение на этой обмотке и тем самым защищает от пробоя выходной мощный полевой транзистор микросхемы HVLED805 (DA1). Исток этого транзистора (выводы 1 и 2) соединён с общим проводом микросхемы (вы вод 4) через резистор R4, выполняющий функцию датчика тока.
Обмотка II трансформатора Т1 использована для питания микросхемы DA1. Выпрямленное диодом VD4 и сглаженное конденсатором С6 напряжение подано на вывод питания VCC. Резистор R5 ограничивает амплитуду импульсов тока через диод VD4. Также сигнал с обмотки II через резисторный делитель R1R2 подаётся на вывод 6 микросхемы DA1. Обрабатывая этот сигнал, микросхема может управлять напряжением на светодиоде EL1 и текущим через него током, о чём рассказано в статье [1].
Обмотка III использована для питания светодиода EL1. Напряжение с этой обмотки выпрямляет диод VD5, высокочастотные пульсации подавляет конденсатор С8, низкочастотные - С9. Резистор R6 - минимальная нагрузка блока питания. Цепь частотной компенсации R3C3C4 предотвращает паразитную генерацию преобразователя на частотах выше основной. Конденсатор С5, подключённый к выводу 5 микросхемы DA1, использован дли стабилизации тока через светодиод EL1, о чём также рассказано в статье [1].
Рис. 2
Преобразователь смонтирован на печатной плате (рис. 2) из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,2 мм. Плата рассчитана на элементы для поверхностного монтажа типоразмера 0805 и элементы, монтируемые в отверстия. Она закреплена в лампе тремя винтами на изоляционных стойках. При разработке платы учтено, что печатный проводник, соединённый с выводом стока мощного коммутирующего транзистора в микросхеме (DRAIN), служит для него теплоотводом.
Импульсный трансформатор Т1 намотан на магнитопроводе ЕЕ16/8/5. Обмотка I содержит 120 витков провода ПЭЬТЛ-2 диаметром 0,21 мм (индуктивность обмотки - 2 мГн), обмотка II - 17 витков ПЭТВ-2 диаметром 0,1 мм, обмотка III - 20 витков литцендрата 10x0,12 мм. При намотке на каркасе с использованием межобмоточной и межслойной изоляции размещают последовательно первую секцию обмотки I из 60 витков, затем обмотку III и вторую секцию обмотки I из 60 витков, последней - обмотку II. Секции обмотки I соединяют на свободном выводе трансформатора, этот вывод в плату не запаивают. Для получения требуемой индуктивности первичной обмотки потребовалось алмазным надфилем укоротить центральный керн до образования немагнитного зазора 0,17 мм.
Дроссель L1 индуктивностью 0,47... 1 мГн взят от неисправной энергосберегающей лампы. Диоды VD2 и VD3 соединены в общей точке навесным монтажом. Резистор R4 (датчик тока) составлен из двух параллельно соединённых резисторов R4.1 и R4.2 по 2,2 Ома, 0,125 Вт.
Рис. 3
Конструктивно светодиодная лампа выполнена на основе неисправной компактной люминесцентной лампы мощностью 26 Вт, из которой удалены ЭПРА и спиральный баллон. В оставшемся пластиковом корпусе со стороны крепления теплоотвода выпилено окно шириной 25 мм, куда помещена плата преобразователя так, чтобы печатные проводники и элементы поверхностного монтажа были обращены к теплоотводу, как показано на рис. 3. Края печатной платы шириной 24 мм приклеены нитроклеем в месте соприкосновения с корпусом лампы. К корпусу привинчен теплоотвод диаметром 60 мм и высотой 43 мм, к которому с применением теплопроводящей пасты КПТ-8 четырьмя винтами М2 прижат светодиод EL1. Эффективная охлаждающая поверхность теплоотвода - около 300 см2.
В процессе испытаний проверен режим светодиода EL1: прямое напряжение на нём 18 В при токе 0,52 А. Этот режим оставался стабильным при изменении напряжения питания с помощью лабораторного автотрансформатора в пределах 176...254 В. При необходимости ток светодиода может быть скорректирован подбором резисторов R4.1 и R4.2, образующих датчик тока R4.
При первом включении проконтро лированы пиковое значение и форма тока коммутирующего транзистора по падению напряжения на датчике тока - резисторе R4. Форма импульсов тока - пилообразная. Измеренное пиковое значение 0,28 А меньше промоделированного программой максимального значения 0,303 А. В результате подтверждено отсутствие насыщения магнитол ровода.
Проверено функционирование преобразователя в режимах короткого замыкания и обрыва нагрузки. Результаты этих испытаний совпали с расчётами по программе. При токе нагрузки 0,2 А преобразователь работает в режиме пропуска одной впадины на частоте 132 кГц. При увеличении тока нагрузки до 0,4 А коммутация происходит на первой впадине, частота увеличивается до 140 кГц. С дальнейшим увеличением тока нагрузки до 0,53 А частота снижается до 105 кГц.
В режиме замыкания нагрузки преобразователь формирует с частотой 13,5 кГц короткие импульсы длительностью чуть менее 2 мкс. Без нагрузки (светодиода) преобразователь поддерживает на выходе напряжение около 20 В, генерируя пачки импульсов с частотой 2,17 кГц.
Измеренный КПД преобразователя - 82 % при напряжении сети 220 В. Измерения показали, что температура микросхемы в установившемся тепловом режиме не превышает 54 °С. В светодиодной лампе (рис. 3) температура корпуса светодиода в установившемся режиме не превышает 62 °С. С учётом теплового сопротивления перехода кристалл-корпус 2,24 сС/Вт можно оценить температуру кристалла 62+9-2,24=82 °С, что намного меньше максимально допустимого значения 150 “С [3] и вполне приемлемо с точки зрения обеспечения долговечности прибора.
Рис. 4
Для сравнения светодиодной лампы с лампой накаливания мощностью 100 Вт свет обеих ламп с одинакового расстояния направлен на пластину из молочного оргстекла. Как видно на рис. 4, световое пятно от светодиодной лампы, расположенное справа, заметно ярче, чем от лампы накаливания.
Литература
1. Косенко С. Микросхема HVLED805 для импульсных сетевых блоков питания - Радио, 2012, № 11, с. 40-42.
2. Косенко С. Расчёт ИИП на микросхемах серии VlPer-plus. - Радио. 2012, № 12, с. 19, 20.
3. SPECIFICATION MODEL: SPHCWTHDD803 WHROJC. - http://www.simpex.ch/fileadmin/ bereiche/systemkomponen ten/News/ 24082011 /SPHCWTHDD803WHR0JC. pdf .
4. Off-line LED driver with piimary-sensing HVLED805. - http://www.st.com/internet/ com/TECHNICAL_RESOURCES/TECHNICAL_LITERATURE/DATASH EET/CD00287280.pdf.
Автор: С. Косенко, г. Воронеж