19. decembra 2014

Napájanie LED diód v svetelných aplikáciách AC

TME s.r.o.

Lineárnym sériovým regulátorom prúdu – obvodom CL8800 firmy Microchip (Supertex)

V súčasnej dobe na trhu s osvetlením dochádza k nahradzovaniu tradičných žiaroviek a žiariviek riešeniami na báze účinných LED diód. Podporou tohto procesu je neustály technický pokrok ako aj nové predpisy vyžadujúce používanie energeticky úsporných zdrojov svetla s maximálnou účinnosťou. Treba si totiž uvedomiť, že v prípade tradičnej žiarovky sa len 8% dodanej energie premení na užitočné viditeľné svetlo. Až 71% energie sa premení na pre nás neužitočné infračervené žiarenie a ďalších 19% spotrebujú iné tepelné javy. Na druhej strane, v prípade LED diód sa na viditeľné svetlo premení až 35% dodanej energie (a teda 4-krát viac). Zvyšná energia sa stráca v podobe tepla (nedochádza však k emisii infračerveného žiarenia). Aj preto vyzvania, ktorým musí návrhár osvetlenia čeliť, sa v podstate redukujú hlavne do návrhu účinného systému odvádzania tepla a optimalizácie napájacieho obvodu.
            LED dióda je elektrická súčiastka, ktorá pre získanie stabilného svetelného toku vyžaduje prívod prúdu konštantnej intenzity. Jas diódy je možné regulovať zmenou hodnoty koeficientu činiteľa plnenia (striedy) impulzu PWM. V napájacích obvodoch vysokej kvality preto dominujú relatívne drahé impulzné meniče umožňujúce zníženie napätia (topológia buck).
Schematické znázornenie takéhoto riešenia je znázornené na obr. 1.

Obr. 1

Bohužiaľ, doba správnej činnosti takéhoto napájacieho obvodu je obmedzená životnosťou elektrolytických kondenzátorov, použitých za účelom filtrácie. Indukčné súčiastky (cievky), nevyhnutné v týchto obvodoch z toho istého dôvodu, sú taktiež zdrojom určitých obmedzení, napríklad zabraňujú požadovanej miniaturizácii napájacieho obvodu.
            Veľa nízkorozpočtových svetelných aplikáciách vychádza z použitia veľkého množstva malých LED diód a ich charakteristickou črtou je zjednodušená metóda regulácie intenzity prúdu. Je to spôsobené tým, že nízkonapäťové LED diódy majú vyššiu toleranciu v oblasti spôsobu regulácie než samostatné vysokosvietivé LED diódy. Túto skutočnosť využívajú výrobcovia LED žiaroviek za účelom maximálneho zjednodušenia napájacieho obvodu, redukujúc ho prakticky až na prúdový zdroj, v ktorom funkciu regulačnej súčiastky plní rezistor, zapojený do série so záťažou. V svetelných aplikáciách pracujúcich v sieťach striedavého prúdu sa však stretávame s problémom stroboskopického efektu (blikanie LED diód s frekvenciou napájacieho napätia), následkom čoho je nízka kvality svetla a nízka energetická účinnosť (výkon sa stráca na odpore zapojenom do série). Vo všeobecnosti je možné skonštatovať, že sériové regulátory intenzity prúdu sú vhodné pre nízkonapäťové svetelné aplikácie napájané jednosmerným prúdom, nakoľko ich malá účinnosť je vo veľkej miere rekompenzovaná malými rozmermi a jednoduchou konštrukciou. Ukazuje sa však, že existuje spôsob použitia podobných riešení taktiež v prípade vysokonapäťových aplikácií, napájaných priamo zo siete striedavého prúdu.
            Princíp tohto riešenia je nasledovný: za predpokladu, že efektívna hodnota úbytku napätia na jednotlivých diódach je asi 3,1 V si predstavme, že reťazec sériovo zapojených LED diód (napr. 100 diód) rozdelíme na sekcie. Môžeme zhruba povedať, že v prípade usmerneného sieťového napätia sú diódy riadené tak, že v danej chvíli ich súčasne svieti toľko, koľko umožňuje aktuálna efektívna hodnota sieťového napätia. Napríklad, ak je efektívna hodnota napätia rovná 125 V – svieti 40 LED diód (125/3,1), zatiaľ čo v prípade maximálnej hodnoty (310 V) ich svieti až 100. Následne s poklesom efektívnej hodnoty napájacieho napätia sa diódy postupne vypínajú, až sa nakoniec celý cyklus zopakuje. Výkonové straty na sériovo zapojenom regulátore sú v tomto prípade nízke, čo vedie k vysokej energetickej účinnosti (teoreticky dosahujúcej až 90%) a k minimalizácii stroboskopického efektu.

Vyššie uvedený princíp je základom činnosti sekvenčného lineárneho regulátora prúdu CL8800 firmy Microchip, zobrazeného na obr. 2.

Regulátor je navrhnutý pre prácu v sieti striedavého prúdu s napätím 230 V a frekvenciou 50 Hz a umožňuje rozdeliť reťazec LED diód na 6 sekcií. Konštrukcia obvodu sa teda skladá zo 6 regulátorov prúdu, pričom každý z nich sa zapína pri inej hodnote napájacieho napätia. Prvý regulátor (TAP1) sa zapne, keď hodnota napájacieho napätia prekročí celkovú hodnotu napätia v priepustnom smere všetkých LED diód zapojených v jednej sekcii. Keď hodnota napájacieho napätia stúpne na úroveň, ktorá umožňuje rozsvietenie ďalšej sekcie reťazca, regulátor TAP1 sa vypne a riadenie spojených úsekov 1 a 2 prevezme regulátor TAP2, dodatočne zvyšujúc intenzitu pracovného prúdu. Pri ďalšom náraste napájacieho napätia sa postupne zapínajú ďalšie regulátory, pričom tie predchádzajúce sa vypínajú. To znamená, že pri náraste napájacieho napätia rastie počet súčasne rozsvietených LED diód v reťazci. Každý z regulátorov je vybavený nezávislou reguláciou pracovného prúdu (od 60 mA pre TAP1 po 115 mA pre TAP3-TAP6). O intenzite tohto prúdu rozhoduje hodnota príslušného rezistora R_set. Táto vlastnosť umožňuje tvarovať napäťovo-prúdovú charakteristiku celého obvodu – obr. 3, čo umožňuje obmedziť výkonové straty obvodu.

Regulátor CL8800 môže do záťaže dodávať výkon až 13 W (pri použití pasívneho chladiča). Účinnosť obvodu dosahuje hodnotu až 85%. Obvod CL8800 je uzavretý v malom puzdre QFN33. Najväčším prvkom opisovaného napájacieho obvodu je odrušovací filter (bez elektrolytických kondenzátorov, ktoré by mohli vplývať na životnosť obvodu). Pre vyhladenie možných prepätí výrobca odporúča v obvode použiť varistory alebo ochranné diódy. Obvod CL8800 môže po pripojení dodatočných externých RC komponentov spolupracovať s tradičnými triakovými stmievačmi, využívajúcimi triaky ako regulátory intenzity svetla (phase dimming). Sériový regulátor CL8800 je preto dokonalým prvkom pre tých konštruktérov, ktorí chcú nahradiť tradičné zdroje svetla (žiarovky, žiarivky) energeticky úspornými riešeniami na báze LED diód. Minimálny počet externých súčiastok potrebných pre jeho správnu prevádzku je neobyčajne atraktívnym riešením, tak z hľadiska nákladov ako aj účinnosti.
Túto a mnoho iných súčiastok od firmy Microchip (Supertex) nájdete v ponuke spoločnosti TME Sp. z o.o., autorizovaného distribútora firmy Microchip (Supertex).

Mgr. Ing. Pawel Sióda – TME

Ako sa vám páčil tento článok?