Cx2601 преобразователь для светодиода: Cx2601 преобразователь для светодиода

Cx2601 преобразователь для светодиода

Один из примеров устройств, так завоевавших популярность среди источников мобильного питания, схема повышающего преобразователя автогенераторного типа с использованием всего одного элемента питания – пальчиковой батареи в 1.5В. Что представляет собой схема. В первую очередь трансформатор, который изготавливается на ферритовом кольце марки 2000 .

Несмотря на богатый выбор в магазинах светодиодных фонариков различных конструкций, радиолюбители разрабатывают свои варианты схем для питания белых суперярких светодиодов. В основном задача сводится к тому, как запитать светодиод всего от одной батарейки или аккумулятора, провести практические исследования.

После того, как получен положительный результат, схема разбирается, детали складываются в коробочку, опыт завершен, наступает моральное удовлетворение. Часто исследования на этом останавливаются, но иногда опыт сборки конкретного узла на макетной плате переходит в реальную конструкцию, выполненную по всем правилам искусства. Далее рассмотрены несколько простых схем, разработанных радиолюбителями.

В ряде случаев установить, кто является автором схемы очень трудно, поскольку одна и та же схема появляется на разных сайтах и в разных статьях. Часто авторы статей честно пишут, что эту статью нашли в интернете, но кто опубликовал эту схему впервые, неизвестно. Многие схемы просто срисовываются с плат тех же китайских фонариков.

Автор статьи, которую Вы сейчас читаете, на авторство схем тоже не претендует, это просто небольшая подборка схем на «светодиодную» тему.

Зачем нужны преобразователи

Все дело в том, что прямое падение напряжения на светодиоде, как правило, не менее 2,4…3,4В, поэтому от одной батарейки с напряжением 1,5В, а тем более аккумулятора с напряжением 1,2В зажечь светодиод просто невозможно. Тут есть два выхода. Либо применять батарею из трех или более гальванических элементов, либо строить хотя бы самый простой DC-DC преобразователь.

Именно преобразователь позволит питать фонарик всего от одной батарейки. Такое решение уменьшает расходы на источники питания, а кроме того позволяет полнее использовать заряд гальванического элемента: многие преобразователи работоспособны при глубоком разряде батареи до 0,7В! Использование преобразователя также позволяет уменьшить габариты фонарика.

Простейшая схема для питания светодиода

Схема представляет собой блокинг-генератор. Это одна из классических схем электроники, поэтому при правильной сборке и исправных деталях начинает работать сразу. Главное в этой схеме правильно намотать трансформатор Tr1, не перепутать фазировку обмоток.

В качестве сердечника для трансформатора можно использовать ферритовое кольцо с платы от негодной энергосберегающей люминесцентной лампы. Достаточно намотать несколько витков изолированного провода и соединить обмотки, как показано на рисунке ниже.

Трансформатор можно намотать обмоточным проводом типа ПЭВ или ПЭЛ диаметром не более 0,3мм, что позволит уложить на кольцо чуть большее количество витков, хотя бы 10…15, что несколько улучшит работу схемы.

Обмотки следует мотать в два провода, после чего соединить концы обмоток, как показано на рисунке. Начало обмоток на схеме показано точкой. В качестве транзистора можно использовать любой маломощный транзистор n-p-n проводимости: КТ315, КТ503 и подобные. В настоящее время проще найти импортный транзистор, например BC547.

Если под рукой не окажется транзистора структуры n-p-n, то можно применить транзистор проводимости p-n-p, например КТ361 или КТ502. Однако, в этом случае придется поменять полярность включения батарейки.

Резистор R1 подбирается по наилучшему свечению светодиода, хотя схема работает, даже если его заменить просто перемычкой. Вышеприведенная схема предназначена просто «для души», для проведения экспериментов. Так после восьми часов беспрерывной работы на один светодиод батарейка с 1,5В «садится» до 1,42В. Можно сказать, что почти не разряжается.

Для исследования нагрузочных способностей схемы можно попробовать подключить параллельно еще несколько светодиодов. Например, при четырех светодиодах схема продолжает работать достаточно стабильно, при шести светодиодах начинает греться транзистор, при восьми светодиодах яркость заметно падает, транзистор греется весьма сильно. А схема, все-таки, продолжает работать. Но это только в порядке научных изысканий, поскольку транзистор в таком режиме долго не проработает.

Преобразователь с выпрямителем

Если на базе этой схемы планируется создать простенький фонарик, то придется добавить еще пару деталей, что обеспечит более яркое свечение светодиода.

Нетрудно видеть, что в этой схеме светодиод питается не пульсирующим, а постоянным током. Естественно, что в этом случае яркость свечения будет несколько выше, а уровень пульсаций излучаемого света будет намного меньше. В качестве диода подойдет любой высокочастотный, например, КД521 (принцип действия полупроводникового диода).

Преобразователи с дросселем

Еще одна простейшая схема показана на рисунке ниже. Она несколько сложнее, чем схема на рисунке 1 , содержит 2 транзистора, но при этом вместо трансформатора с двумя обмотками имеет только дроссель L1. Такой дроссель можно намотать на кольце все от той же энергосберегающей лампы, для чего понадобится намотать всего 15 витков обмоточного провода диаметром 0,3…0,5мм.

При указанном параметре дросселя на светодиоде можно получить напряжение до 3,8В (прямое падение напряжения на светодиоде 5730 3,4В), что достаточно для питания светодиода мощностью 1Вт. Наладка схемы заключается в подборе емкости конденсатора C1 в диапазоне ±50% по максимальной яркости светодиода. Схема работоспособна при снижении напряжения питания до 0,7В, что обеспечивает максимальное использование емкости батареи.

Если рассмотренную схему дополнить выпрямителем на диоде D1, фильтром на конденсаторе C1, и стабилитроном D2, получится маломощный блок питания, который можно применить для питания схем на ОУ или других электронных узлов. При этом индуктивность дросселя выбирается в пределах 200…350 мкГн, диод D1 с барьером Шоттки, стабилитрон D2 выбирается по напряжению питаемой схемы.

При удачном стечении обстоятельств с помощью такого преобразователя можно получить на выходе напряжение 7…12В. Если предполагается использовать преобразователь для питания только светодиодов, стабилитрон D2 можно из схемы исключить.

Все рассмотренные схемы являются простейшими источниками напряжения: ограничение тока через светодиод осуществляется примерно так же, как это делается в различных брелоках или в зажигалках со светодиодами.

Светодиод через кнопку включения, без всякого ограничительного резистора, питается от 3…4-х маленьких дисковых батареек, внутреннее сопротивление которых ограничивает ток через светодиод на безопасном уровне.

Схемы с обратной связью по току

А светодиод является, все-таки, токовым прибором. Неспроста в документации на светодиоды указывается именно прямой ток. Поэтому настоящие схемы для питания светодиодов содержат обратную связь по току: как только ток через светодиод достигает определенного значения, выходной каскад отключается от источника питания.

В точности также работают и стабилизаторы напряжения, только там обратная связь по напряжению. Ниже показана схема для питания светодиодов с токовой обратной связью.

При внимательном рассмотрении можно увидеть, что основой схемы является все тот же блокинг-генератор, собранный на транзисторе VT2. Транзистор VT1 является управляющим в цепи обратной связи. Обратная связь в данной схеме работает следующим образом.

Светодиоды питаются напряжением, которое накапливается на электролитическом конденсаторе. Заряд конденсатора производится через диод импульсным напряжением с коллектора транзистора VT2. Выпрямленное напряжение используется для питания светодиодов.

Ток через светодиоды проходит по следующему пути: плюсовая обкладка конденсатора, светодиоды с ограничительными резисторами, резистор токовой обратной связи (сенсор) Roc, минусовая обкладка электролитического конденсатора.

При этом на резисторе обратной связи создается падение напряжения Uoc=I*Roc, где I ток через светодиоды. При возрастании напряжения на электролитическом конденсаторе (генаратор, все-таки, работает и заряжает конденсатор), ток через светодиоды увеличивается, а, следовательно, увеличивается и напряжение на резисторе обратной связи Roc.

Когда Uoc достигает 0,6В транзистор VT1 открывается, замыкая переход база-эмиттер транзистора VT2. Транзистор VT2 закрывается, блокинг-генератор останавливается, и перестает заряжать электролитический конденсатор. Под воздействием нагрузки конденсатор разряжается, напряжение на конденсаторе падает.

Уменьшение напряжения на конденсаторе приводит к снижению тока через светодиоды, и, как следствие, уменьшению напряжения обратной связи Uoc. Поэтому транзистор VT1 закрывается и не препятствует работе блокинг-генератора. Генератор запускается, и весь цикл повторяется снова и снова.

Изменяя сопротивление резистора обратной связи можно в широких пределах изменять ток через светодиоды. Подобные схемы называются импульсными стабилизаторами тока.

Интегральные стабилизаторы тока

В настоящее время стабилизаторы тока для светодиодов выпускаются в интегральном исполнении. В качестве примеров можно привести специализированные микросхемы ZXLD381, ZXSC300. Схемы, показанные далее, взяты из даташитов (DataSheet) этих микросхем.

На рисунке показано устройство микросхемы ZXLD381. В ней содержится генератор ШИМ (Pulse Control), датчик тока (Rsense) и выходной транзистор. Навесных деталей всего две штуки. Это светодиод LED и дроссель L1. Типовая схема включения показана на следующем рисунке. Микросхема выпускается в корпусе SOT23. Частота генерации 350КГц задается внутренними конденсаторами, изменить ее невозможно. КПД устройства 85%, запуск под нагрузкой возможен уже при напряжении питания 0,8В.

Прямое напряжение светодиода должно быть не более 3,5В, как указано в нижней строчке под рисунком. Ток через светодиод регулируется изменением индуктивности дросселя, как показано в таблице в правой части рисунка. В средней колонке указан пиковый ток, в последней колонке средний ток через светодиод. Для снижения уровня пульсаций и повышения яркости свечения возможно применение выпрямителя с фильтром.

Здесь применяется светодиод с прямым напряжением 3,5В, диод D1 высокочастотный с барьером Шоттки, конденсатор C1 желательно с низким значением эквивалентного последовательного сопротивления (low ESR). Эти требования необходимы для того, чтобы повысить общий КПД устройства, по возможности меньше греть диод и конденсатор. Выходной ток подбирается при помощи подбора индуктивности дросселя в зависимости от мощности светодиода.

Микросхема ZXSC300

Отличается от ZXLD381 тем, что не имеет внутреннего выходного транзистора и резистора-датчика тока. Такое решение позволяет значительно увеличить выходной ток устройства, а следовательно применить светодиод большей мощности.

В качестве датчика тока используется внешний резистор R1, изменением величины которого можно устанавливать требуемый ток в зависимости от типа светодиода. Расчет этого резистора производится по формулам, приведенным в даташите на микросхему ZXSC300. Здесь эти формулы приводить не будем, при необходимости несложно найти даташит и подсмотреть формулы оттуда. Выходной ток ограничивается лишь параметрами выходного транзистора.

При первом включении всех описанных схем желательно батарейку подключать через резистор сопротивлением 10Ом. Это поможет избежать гибели транзистора, если, например, неправильно подключены обмотки трансформатора. Если с этим резистором светодиод засветился, то резистор можно убирать и проводить дальнейшие настройки.

В наш век прогресса и разнообразных нанотехнологий довольно многие уже используют для освещения дома «энергосберегающие лампочки» (которые на самом деле правильно называть «КЛЛ со встроенным ПРА»). Вроде таких:

Как ни странно, оные чудо-приборы будущего тоже иногда ломаются. В этом случае большинство людей просто утилизирует их вместе с остальным мусором, совершенно не подозревая, что такая лампочка, даже отслужившая свое, еще может принести существенную пользу. Например, в ней есть почти все, что нужно, чтобы собрать простой светодиодный фонарик, работающий от одной полуторавольтовой батарейки.

Для начала давайте посмотрим, что же собственно мы будем собирать:

Сия схема служит для того, чтобы повысить полтора вольта, выдаваемые батарейкой, до рабочего напряжения белого светодиода (около трех вольт, ток ограничивается за счет свойств катушки-обмотки). Она является вариацией давно известного преобразователя на блокинг-генераторе. Сразу скажу, что достоинство у приведенного варианта только одно – простота. Он пригоден исключительно для питания «обычных» белых светодиодов с рабочим током в районе 20 мА, да и то в режиме сомнительной оптимальности. Проистекает это оттого, что параметры подобной схемы зависят от кучи разных факторов (температуры в том числе), и практически не поддаются точному расчету – чистая эмпирика. Впрочем, схема обладает отличной повторяемостью, и вполне подойдет для того, чтобы развлечься долгим вечером или экстренно собрать фонарик в полевых условиях. Кроме того, существуют более пристойные ее модификации (ссылки на различные варианты даны ниже).

Несколько слов о том, как она работает. Изначально транзистор открывается током, протекающим через вторичную обмотку трансформатора T1 и резистор. Вследствие этого через открытый транзистор и первичную обмотку также начинает протекать нарастающий ток. Нарастающий ток порождает в сердечнике усиливающееся магнитное поле, которое в полном соответсвии с уравнениями Максвелла приводит к возникновению напряжения на вторичной обмотке. Однако вторичная обмотка включена навстречу первичной (точки рядом с обмотками обозначают их условное начало), потому возникающее на ней напряжение оказывается противонаправленным напряжению на участке база-эмиттер, и начинает компенсировать последнее, закрывая транзистор. Транзистор закрывается. Однако катушки обладают значительной индуктивностью, и потому ток в них не может прекратиться сразу. Через закрытый транзистор он течь не может. Но параллельно ему подключен светодиод, через который и протекает ток в этом случае. Катушка является в этот момент источником тока, а светодиод кроме всего прочего работает как стабистор, ограничивая напряжение на себе и транзисторе – без него выходное напряжение может достигать десятков вольт. Светодиод светится, энергия, запасенная в катушке, расходуется, поле в сердечнике убывает, а вместе с ним уменьшается напряжение на вторичной обмотке. В какой-то момент оно уменьшается настолько, что больше не компенсирует напряжение, приложенное к базе. Транзистор открывается, и все повторяется сначала.

Схема может быть собрана из практически любых деталей на любой коленке, и с вероятностью 98% будет работоспособна.

А теперь собственно о том, как сделать вышеописанное из энергосберегайки.

Расковыриваем корпус. Отверткой аккуратно разделяем его на две половинки, чтобы достать схему балласта, из которой добывается большинство необходимого.

Откусываем бокорезами провода, и достаем балласт:

В нем нас интересует дроссель (с него будем сматывать провод для обмоток), ферритовое колечко (на нем будем мотать трансформатор) и транзистор.

К сожалению, в этом экземпляре балласта я не смог обнаружить необходимого резистора (0.3 – 1K), потому взял подходящий экземпляр из закромов. Хотя в полевых условиях можно попытаться набрать подходящий номинал из имеющихся в балласте.

Светодиод берем там же, в хламе. Самый обычный 10мм белый светодиод:

Собираем все в кучку, дабы полюбоваться:

Теперь надо намотать трансформатор. Для этого освобождаем кольцо от тех обмоток, что на нем уже есть, разламываем дроссель пассатижами (у меня он был склеен компаундом, так что культурно разобрать не представлялось возможным), и добываем из него провод:

На кольцо надо намотать примерно по 25 витков провода для каждой обмотки. Для удобства целесообразно вести намотку так: сматываем с дросселя примерно восемьдесят сантиметров провода (отмерить можно даже без линейки – по длине примерно как четыре листа А4 в высоту; а чтобы дроссель при разматывании не колол пальцы, можно загнуть его ножки пассатижами), складываем провод пополам и наматываем обмотку прямо в два провода. После чего обрезаем концы проволоки до удобной длины, и получаем сразу две одинаковые обмотки.

При намотке я не особо старался запомнить, какие выводы какой обмотке принадлежат, и потому после прозвонил их тестером.

Транзистор имеет смысл проверить, ибо взят он из неисправной лампы, и потому, возможно, неработоспособен. Я проверил, и обнаружил, что так оно и есть. Потому я взял еще один балласт и выпаял другой транзистор из него.

Это оказался могучий MJE13003. Проверил – рабочий.

Выдержки из нагугленного даташита на него:

Поскольку, как я уже говорил, эта схема может быть собрана из чего угодно, как угодно и где угодно, в даташите нас интересует прежде всего распиновка. Остальные параметры и так имеют огромнейший запас.

Ну вот, все есть:

Собираем по схеме:

Обмотки абсолютно равноценны, потому разницы, какую включать в коллектор, а какую – в цепь базы, нет. Если же после сборки генератор не заработает, это значит, что надо поменять местами выводы одной из обмоток, и он наверняка запустится. Но я попал с первого раза.

Ну вот, работает!

Как я уже говорил, эта схема сильно упрощена. Если же хочется чего-то в том же духе, но более стабильного и правильного, то стоит обратить внимание на следующие схемы (в порядке возрастания «правильности»):

Совсем пристойно, даже с явной стабилизацией тока:

Вот и все. В заключение хочу повторить, что все перечисленные схемы в силу упомянутых в начале недостатков пригодны лишь для построения небольших «несерьезных» фонариков выходного дня, либо когда в полевых условиях нужно экстренно собрать что-то светящееся. Для мощных светодиодов они не подходят категорически.

Преобразователь питания для белого светодиода (023) пакет

Описание Преобразователь питания для белого светодиода (023) пакет

Начинающим радиоконструктор:           Преобразователь напряжения для фонарика.                  (023)

     Вы обращали внимание на фонарики с белыми светодиодами, в которых устанавливается всего одна пальчиковая батарейка? Для белых и синих светодиодов необходимо напряжение источника питания 3 – 3,5 вольта, а один пальчиковый гальванический элемент имеет напряжение на своих выводах 1,5 вольта (аналогичный аккумулятор – 1,2 вольта). Каким образом тогда светятся светодиоды в таких фонариках? Для этого в фонарик встроен повышающий преобразователь напряжения (так называемый DC/DC преобразователь). Простая схема такого преобразователя показана ниже. Схема представляет собой классический блокинг-генератор с положительной обратной связью, осуществляемой через трансформатор на базу транзистора. Транзистор в схеме работает в ключевом режиме (т.е. у него два состояния – закрыт/открыт (без промежуточного усилительного). Измерение показало, что при сопротивлении резистора R1 в 560 Ом, частота генератора составляет около 130 КГц. Также частота генератора зависит от количества витков 

обмоток трансформатора и от магнитной проницаемости магнитопровода. Принцип работы схемы: при подаче питания на схему (база транзистора через резистор R1 и нижнюю по схеме обмотку трансформатора подключена к положительному выводу питания, — транзистор открыт), ток от источника питания протекает через рабочую (верхнюю по схеме) обмотку трансформатора и открытый переход транзистора. В результате индукции в обмотке связи (нижняя по схеме) возникает ток, резко запирающий транзистор. Возникшая индукция в сердечнике трансформатора вызывает импульсный ток, складывающийся с током источника питания и протекающий через диод Шоттки VD1 и конденсатор С1, заряжая его, а он уже питает светодиод HL1. Как только, запирающая транзистор, индукция в трансформаторе пропадает, транзистор снова открывается и процесс повторяется сначала. Применение диода Шоттки обусловлено высокой частотой переключений генератора и низким падением напряжения на его переходе – около 0,2в в отличие от обыкновенных выпрямительных, где оно около 0,4в. Виду того, что напряжение индукции значительно превышает напряжение источника, этого напряжения достаточно для нормальной работы белого светодиода. Подключенный светодиод выполняет роль стабилитрона, поддерживая напряжение на выходе около 3,5 вольт. Если светодиод отключить от схемы, напряжение на конденсаторе превысит 40 вольт, что может вывести из строя конденсатор и однозначно выведет из строя подключенный светодиод. Обе обмотки трансформатора наматываются на ферритовом кольцевом сердечнике одновременно сложенными вдвое отрезками проводов (бифилярно) по всей длине равномерно, и содержат 30 витков (для удобства различия разными  сечениями проводов). Начала обмоток на схеме обозначены точками. Рабочая (верхняя) обмотка мотается более толстым проводом, обмотка обратной связи (нижняя) более тонким. Безошибочно собранная схема в настройке не нуждается. Вместо одного светодиода можно подключить к схеме до семи светодиодов, соединив их последовательно.

Вариант 023:

1.  Печатная  плата,

3.  Ферритовый магнитопровод (кольцо), 

4.  Два отрезка провода ПЭВ для обмоток трансформатора,

5.  Транзистор КТ315, 

6.  Резистор R1 – 560 Ом,

8.  Конденсатор С1 – 22МкФ,

9.  Диод Шоттки 1N5819,

10. Светодиод (белого света),

11. Монтажные провода,

12. Схема и описание.

Оставить отзыв о «Преобразователь питания для белого светодиода (023) пакет»

Ваши знания будут оценены пользователями сайта, если Вы авторизуетесь перед написанием отзыва.

Взлом светодиодного солнечного садового светильника — Блоги — Виртуальный класс для университетской программы ADI

Взлом светодиодного солнечного садового светильника.

Вы можете поместить эту запись в блоге под описанием интересных элементов электроники, спрятанных в повседневных предметах домашнего обихода, так же, как эти две предыдущие записи об использовании батарей типа «таблетка» и мерцающих светодиодных свечах. Солнечные перезаряжаемые светодиодные фонари для сада или дорожек стали очень недорогими и распространенным явлением. Если смотреть снаружи, они обычно состоят из небольшой солнечной панели для зарядки аккумулятора и белого светодиода высокой яркости. Типичный самый недорогой пример, как показано на рис. 1, стоит всего 1 доллар, но может быть и до 2 долларов за штуку.

Рисунок 1. Типичный солнечный светодиодный светильник

Светодиод загорается, когда становится темно и солнечная панель больше не может заряжать аккумулятор, поэтому для этого внутри должна быть какая-то схема управления. Внутри примера, который я разобрал, была одна никель-кадмиевая ячейка AAA 1,25 В, 100 мАч и небольшая печатная плата со светодиодом, катушкой индуктивности 220 мкГн и интегральной схемой повышения напряжения с четырьмя выводами, обозначенной YX8018. Полная схема показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема солнечного садового освещения

YX8018 выпускается в корпусе TO-94 с 4 выводами на транзисторах, конфигурация выводов показана здесь:

YX8018 более или менее представляет собой стробируемый генератор, работающий на частоте приблизительно 200 кГц, управляющий NMOS-переключателем с открытым стоком ( вывод на контакт 1). Схема подает импульс на маленькую катушку индуктивности, чтобы повысить напряжение для управления светодиодом, аналогично схеме джоулевого вора. Использование одного NiCd-аккумулятора AAA позволяет снизить стоимость. Это также означает, что солнечная панель может быть более дешевой версией с низким напряжением. Один 3 см x 3 см из этого примера генерировал 2,7 вольта при ярком солнечном свете с током короткого замыкания 17 мА.

Для уменьшения количества компонентов применение микросхемы YX8108 весьма изобретательно. Они используют внутренний диод ESD между входом CE (включение чипа) и землей для зарядки NiCd-элемента от солнечной панели, а также используют напряжение (или его отсутствие) от солнечной панели, чтобы определить, когда достаточно темно, чтобы включить светодиод горит. Вход CE включает небольшой подтягивающий ток. Я измерил около 30 мкА при 1,25 вольта на V _DD . Этот небольшой ток потянет вывод 3 затвора генератора на высокий уровень, если солнечная панель не генерирует ток более 30 мкА. Альтернативный метод управления входом CE, показанный в техническом описании, заключается в использовании светозависимого фотоэлемента CdS с резистором между CE и GND.

Вот и все, что есть в этом садовом фонаре, но что еще мы можем сделать с этими деталями, чтобы узнать об электронике? Что ж, как и в этих лабораторных занятиях, мы можем узнать о характеристиках фотоэлектрических солнечных элементов, кривых диодного тока и напряжения белого светодиода и характеристиках перезаряжаемого элемента AAA NiCd. Кроме того, мы можем узнать больше о преобразователях постоянного тока на основе индукторов, создав различные конфигурации на основе микросхемы YX8018. Некоторые из следующих рисунков взяты из таблицы данных YX8018, другие — те, которые придумал я. Обратите внимание, что в большинстве этих примеров я не использовал солнечную панель и оставил вывод CE плавающим для непрерывной работы.

На рис. 2 импульсы тока от катушки индуктивности возвращаются к батарее через светодиод на землю батареи. Мы также можем подключить светодиод через катушку индуктивности, чтобы ток катушки индуктивности возвращался непосредственно к катушке индуктивности, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Альтернативный способ подключения светодиода

Основные конфигурации на рисунках 2 и 3 управляют светодиодом. с импульсами тока на частоте генератора. Это нормально, потому что частота намного выше всего, что глаз может воспринимать как мерцание. Мы можем выпрямить и отфильтровать эти импульсы в постоянное напряжение для управления светодиодом, как показано на рисунке 4. Выпрямительный диод D ₁ может быть стандартным диодом, таким как 1N914, но более эффективным выбором для этих низких напряжений будет диод Шоттки. На этих высоких частотах фильтрующий конденсатор C ₁ не должен быть очень большим, значение 0,1 мкФ или 1,0 мкФ будет работать хорошо.

Рис. 4 Добавление выпрямителя постоянного тока к усиленному выходу.

Добавив еще один диод и конденсатор, мы можем генерировать отрицательные выходные напряжения, как показано на рис. 5. Нам не обязательно нужно отрицательное напряжение для питания светодиода, но это скорее демонстрация того, как преобразователи постоянного тока могут также генерировать отрицательные напряжения. от положительных напряжений. Конденсатор С ₁ и уровень диода D ₁ сдвигают положительные пики формы сигнала напряжения на контакте 1 и фиксируют напряжение, наблюдаемое на стыке D ₁ и D ₂ , на диоде над землей. Этот теперь отрицательный сигнал выпрямляется D ₂ и фильтруется C ₂

.

Рис. 5 Генератор отрицательного напряжения.

Техническое описание включает таблицу, в которой указан выходной ток при V _DD 1,25 В для различных номиналов дросселей. Я воспроизвел это здесь.

Другой вариант — заменить простую катушку индуктивности трансформатором. Обмотка Coilcraft Hexapath 6 HPh2-1400L имеет индуктивность обмотки 200 мкГн, что соответствует диапазону значений, указанных в таблице. На рис. 6 мы сконфигурировали HPh2-1400L как повышающий трансформатор 1:5, и схема может подавать ток 1 мА на нагрузочный резистор 15 кОм (или 15 В постоянного тока)

Рис. 6. Трансформаторный DC-DC усилитель выдает 1 мА при 15 В.

Я уверен, что мы могли бы придумать бесчисленное множество других схем. Например, использование одного из выходов AWG из модуля Analog Discovery для управления входом CE. Применение прямоугольной волны с широтно-импульсной модуляцией может служить способом изменения яркости светодиода.

Добавление компаратора напряжения для управления входом CE с обратной связью от усиленного выхода добавляет стабилизацию в схему, как в преобразователе постоянного тока Лабораторная работа. Схема регулирования, предложенная в лабораторной работе, является более сложной, но можно сделать более простую версию, добавив всего пару резисторов и NPN-транзистор на рис. 4, который демонстрирует концепцию. На рис. 7 показана дополнительная схема.

Рис. 7 Добавление отрицательной обратной связи регулирует выходное напряжение.

Регулируемое выходное напряжение будет в N раз больше, чем V _BE или Q ₁ (хорошо работает 2N3904). Коэффициент умножения N задается коэффициентом деления резистора. С помощью потенциометра 10 кОм и показанных номиналов резисторов выходное напряжение должно регулироваться в диапазоне напряжений около +5 В. Регулировка нагрузки достаточно хорошая вплоть до максимального тока на основе выбранного значения для L ₁ однако температурная стабильность будет довольно плохой из-за сильного отрицательного TC V _BE .

Как всегда, я приветствую комментарии и предложения от сообщества пользователей.

Doug

Новый понижающий преобразователь постоянного тока в постоянный без конденсатора для светодиодных приложений

На этой странице драйвер светодиодов (LED). Конструкция основана на использовании внутренней емкости светодиода вместо сглаживающего конденсатора. Системы светодиодного освещения обычно имеют много светодиодов для лучшего освещения, которое может достигать нескольких десятков светодиодов. Такая конфигурация может быть использована для увеличения общей внутренней емкости и, следовательно, минимизации выходных пульсаций. Также частота коммутации выбирается такой, чтобы на выходе появлялись минимальные пульсации. Функциональность предложенной конструкции подтверждена экспериментально, КПД драйвера составляет 85 % при полной нагрузке.

1. Введение

Светоизлучающие диоды (СИД) начинают широко использоваться во многих областях освещения. Светодиоды заменяют люминесцентное освещение из-за преимуществ светодиодов по сравнению с люминесцентными лампами. Эти преимущества в основном заключаются в более низком энергопотреблении и более длительном сроке службы. Однако коммерческие драйверы светодиодов ограничивают ожидаемый срок службы системы светодиодного освещения примерно одной пятой срока службы самого светодиода. Основной причиной малого срока службы драйвера является сглаживающий конденсатор на выходе. Это связано с утечкой в ​​этом конденсаторе и, следовательно, со временем приводит к ухудшению характеристик драйвера. Было представлено несколько работ по приводам светодиодов без электролитических конденсаторов, чтобы максимизировать общий срок службы светодиодной системы, а последние достижения приведены в [1–7]. В [1] используется подход с введением тока. В [2–7] представлено несколько одноступенчатых топологий с использованием нескольких коммутаторов или методов с общим коммутатором. Большинство представленных работ требуют относительно сложных силовых цепей или методов управления током для уменьшения размера накопительного конденсатора. Эти топологии приводят к большей площади и более высокой стоимости. Новая конструкция безконденсаторного драйвера представлена ​​в [8]. В конструкции использовались накопительный конденсатор и двухобмоточная двойная катушка индуктивности.

Основной целью этой статьи является развитие результатов, полученных в [9], и представление математической модели и экспериментальных результатов для подтверждения функциональности конструкции. Остальная часть документа организована следующим образом: Раздел 2 описывает предлагаемый дизайн. Математический анализ и экспериментальные результаты приведены в разделе 3. Раздел 4 завершает статью.

2. Предлагаемая конструкция

Предлагаемая конструкция основана на известном понижающем преобразователе, показанном на рис. 1, где выходное напряжение равно напряжению на сопротивлении нагрузки и . представляет управляющие импульсы, генерируемые схемой управления. Выходное напряжение постоянного тока определяется как где — напряжение сток-исток МОП-транзистора, используемого для переключения, — сопротивление катушки индуктивности, — падение напряжения на диоде, — рабочий цикл управляющего импульса во включенном состоянии, и — рабочий цикл в выключенном состоянии. пульса.

Катушка индуктивности и сглаживающий конденсатор усредняют проходящие импульсы, вызывая пульсации на нагрузке. На напряжение пульсаций будут влиять рабочий цикл, частота переключения, индуктивность, внутреннее сопротивление сглаживающего конденсатора ESR и номинал сглаживающего конденсатора.

Приблизительные пульсации напряжения для линейных моделей и малых пульсаций напряжения даны по формуле [10], где – частота переключения , – индуктор, – напряжение на сопротивлении индуктора, а ESR – последовательный резистор конденсатора.

Предлагаемая конструкция представляет собой модифицированную версию конструкции на рис. 1 и показана на рис. 2, где нагрузкой является массив светодиодов, как и во всех имеющихся в продаже светодиодных лампах. Внутренняя емкость массива светодиодов будет действовать как сглаживающий конденсатор, если выбраны правильные частота переключения и рабочий цикл, и, следовательно, внешний сглаживающий конденсатор не требуется.

3. Математический анализ и экспериментальные результаты

3.1. Математический анализ

Хорошо известно, что светодиод в режиме проводимости можно смоделировать с помощью резистора и идеального диода для режима постоянного тока и конденсатора и резистора, соединенных параллельно для режима переменного тока, как показано на рисунках 3(a) и 3(b). ), соответственно. Сопротивление представляет собой постоянное последовательное контактное сопротивление и сопротивление квазинейтральной области светодиода, представляет собой слабое сигнальное сопротивление светодиода при определенном постоянном токе и представляет собой диффузионную емкость при определенном постоянном токе. В режиме проводимости это величина, обратная проводимости, равная постоянному току, деленному на тепловое напряжение. Это указывает на то, что по мере увеличения постоянного тока значение сопротивления будет уменьшаться. Более того, значение также является функцией проводимости и его значение будет увеличиваться по мере увеличения тока [11].

На рисунке 2 видно, что выходное напряжение постоянного тока на светодиодах такое же, как в (1), но заменено на . В этом анализе используются эквивалентные схемы светодиодов, показанные на рисунке 3. Выходное напряжение постоянного тока определяется как сопротивление индуктора. Значение зависит от тока, проходящего через светодиод, и его можно вывести из кривой характеристик светодиода, показанной на рисунке 4. Из рисунка 4 ясно, что по мере увеличения тока значение будет уменьшаться.

Чтобы найти эффективную емкость светодиода, пульсирующий ток определяется как где пульсирующий ток через катушку индуктивности . Из рис. 2 и модели рис. 3 пульсации выходного напряжения даны где и представляют собой импеданс диффузионного конденсатора [10].

При объединении (4) и (5) пульсации выходного напряжения определяются как .

Переписав (6), чтобы найти эффективную емкость , Графики зависимости эффективной емкости от тока светодиода для различных частот показаны на рисунке 5. Из рисунка видно, что эффективная емкость на частоте 200 кГц высока, поскольку импеданс емкости намного меньше, чем у динамического сопротивления.

В модели переменного тока на рис. 3 поведение и указывает на то, что по мере увеличения постоянного тока напряжение пульсаций будет уменьшаться, что является еще одним параметром, которым можно управлять и который влияет на напряжение пульсаций. Этот факт подтверждается проведенными нами экспериментальными результатами и объясняется в следующем разделе.

Важно отметить, что величина линейно изменяется с постоянным током только в режиме сильной проводимости [12]. Тем не менее, в течение периода ВЫКЛ импульса переключающего понижающего преобразователя внутреннее сопротивление светодиода потребляет накопленный заряд, и выходное напряжение уменьшается. Если период выключения достаточно длинный, емкость диффузионного конденсатора будет очень маленькой, что приведет к резкому падению выходного напряжения, что может вызвать мерцание светодиода.

3.2. Экспериментальные результаты

Схема, показанная на рис. 2, была подключена в лаборатории с использованием готовых компонентов для экспериментальной проверки предложенной конструкции. Используемый светодиод представляет собой сумму 3 последовательных пакетов по 11 параллельных светодиодов в каждом, что дает в общей сложности 33 светодиода. Выходное напряжение измеряется на корпусах светодиодов. Используемые компоненты: катушка индуктивности 470 мкГн, силовой N-MOS транзистор BUZ71, импульс управления переключением с амплитудой 10 В, быстродействующий кремниевый диод 1N9. 14. Было измерено последовательное сопротивление катушки индуктивности, и его значение составило примерно 4 Ом. Предполагалось, что источник переменного тока был выпрямлен и обеспечивал выход постоянного тока с номинальным напряжением 35 В. Характеристики светодиода, показанные на рисунке 4, использовались для извлечения значения для различных значений постоянного тока.

Поведение схемы изучалось путем изменения коэффициента заполнения от 18% до 44% на трех различных частотах (100 кГц, 150 кГц и 200 кГц). Максимальный рабочий цикл был установлен на 44%, потому что этот рабочий цикл будет производить максимальный ток светодиода. Выходное постоянное напряжение и напряжение пульсаций представлены на рис. 6. Как видно из рисунка, по мере увеличения рабочего цикла выходное постоянное напряжение увеличивается. Напряжение пульсаций уменьшалось с увеличением частоты.

Из рисунка 6 видно, что напряжение постоянного тока изменяется линейно в зависимости от рабочего цикла для > 30 %. Кроме того, ясно, что для коэффициента заполнения более 30 % погрешность составляет менее 3 %. Расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами показано на рисунке 7. Из графика видно, что разработчик должен выбрать коэффициент заполнения импульса переключения более 30 %, чтобы минимизировать ошибку, и более высокую частоту, чтобы минимизировать пульсации напряжения.

Если напряжение на светодиоде опустится ниже определенного значения, диффузионного конденсатора не будет, а напряжение на светодиоде упадет логарифмически, что приведет к большой ошибке, показанной на рис. 7. Это значение можно оценить по изгибам каждой кривой и зависит также от прямого тока, поскольку он зависит от того, насколько глубоко светодиод находится в области проводимости. Рисунки 8 и 9показывают напряжение пульсаций на частоте 100 кГц с рабочим циклом 18% и 40% соответственно. Нелинейность ясно показана на рис. 8, где период выключения был достаточно длительным, чтобы привести светодиод в область слабой проводимости, в то время как пульсации на рис. 9 почти линейны. Ясно, что пульсации являются линейными для более высокого рабочего цикла.

Для исследования изменений выходного напряжения постоянного тока и пульсаций частота была изменена с 50 кГц до 300 кГц при фиксированном рабочем цикле 40%, а выход был измерен. Результат показан на рисунке 10. Видно, что напряжение пульсаций уменьшается по мере увеличения частоты, а напряжение постоянного тока почти постоянно. Минимальное отношение пульсирующего напряжения к постоянному напряжению составляет около 1,4%, и его можно уменьшить, увеличив частоту.

Эффективность является важным фактором в драйвере светодиодов. Эффективность была определена путем измерения выходного постоянного напряжения, выходного тока, входного постоянного напряжения и входного тока для каждого рабочего цикла для разных частот. Экспериментальные результаты, представленные на рисунке 11, показывают, что средний КПД составляет 85%. Эффективность можно дополнительно повысить, используя катушку индуктивности с меньшим внутренним сопротивлением и транзистор с меньшим сопротивлением в открытом состоянии.

Из-за незначительных изменений выходного напряжения постоянного тока КПД практически не изменяется при изменении частоты, как показано на рис. 12. Среднее значение КПД по всему диапазону частот составляет около 88%. Дальнейшее увеличение частоты приведет к меньшим пульсациям напряжения и меньшим компонентам для лучшей интеграции. Однако увеличение частоты коммутации снизит КПД привода из-за потери мощности коммутации при малых нагрузках [12]. Что касается приложений светодиодного освещения, светодиодная нагрузка должна потреблять большой ток, особенно при использовании привода без конденсатора. Это связано с тем, что лучше использовать много параллельных светодиодов для более высокого суммирования емкости светодиодов, что дает этому методу еще одно преимущество.

4. Заключение

Разработан и испытан новый подход к проектированию безконденсаторного понижающего преобразователя постоянного тока в постоянный. Предлагаемая схема с одним переключателем способна уменьшить пульсации в компактной форме и может быть расширена для любой другой конфигурации светодиодов. Математическая модель конструкции разработана на основе экспериментальной проверки. КПД драйвера составляет 85%, и мы ожидаем, что срок службы будет намного выше, чем у существующих приводов, поскольку в цепи переключения драйвера нет конденсатора.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих интересов.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить King Abdulaziz City for Science and Technology за финансовую поддержку (проект № AT-34-20) и KFUPM за использование всех средств для проведения этого исследования.

Ссылки

1. B. Wang, X. Ruan, K. Yao и M. Xu, «Метод уменьшения отношения пикового значения к среднему току светодиода для драйверов AC-DC без электролитических конденсаторов», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 25, нет. 3, стр. 592–601, 2010.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. С. Ван, С. Руан, К. Яо, С.-К. Тан, Ю. Ян и З. Йе, «Драйвер светодиодов AC-DC без электролитических конденсаторов без мерцания», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 27, нет. 11, стр. 4540–4548, 2012.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

3. В. Чен и С. Ю. Р. Хуэй, «Устранение электролитического конденсатора в драйвере светодиодов переменного / постоянного тока (LED) с высоким коэффициентом входной мощности и постоянным выходным током», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 27, нет. 3, стр. 1598–1607, 2012.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

4. П. С. Алмейда, Г. М. Соарес, Д. П. Пинто и Х. А. К. Брага, «Интегрированный повышающе-понижающий преобразователь SEPIC в качестве автономного драйвера светодиодов без электролитических конденсаторов», в Трудах 38-й ежегодной конференции по промышленной электронике IEEE. Society (IECON ’12) , стр. 4551–4556, Квебек, Канада, октябрь 2012 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

5. Х. Ма, Ж.-С. Лай, К. Фэн, В. Ю, К. Чжэн и З. Чжао, «Новый источник питания на основе SEPIC с заполнением долины без электролитического конденсатора для применения в светодиодном освещении», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 27, нет. 6, стр. 3057–3071, 2012.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. H. Ma, W. Yu, C. Zheng, Q. Feng, and B. Chen, «Универсальный входной пре-регулятор PFC с высоким коэффициентом мощности без электролитического конденсатора для ШИМ-управления яркостью светодиодного освещения, ” в Proceedings of the IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE ’11) , стр. 2288–2295, сентябрь 2011 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. М. Рю, Дж. Ким, Дж. Бэк и Х.-Г. Ким, «Новые методы управления многоканальными светодиодами с использованием трансформатора тока в драйверах переменного и постоянного тока без электролитических конденсаторов», в Proceedings of the 27th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC ’12) , стр. 2361–2367. , Орландо, Флорида, США, февраль 2012 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

8. Дж. К. В. Лам и П. К. Джейн, «Топология драйвера светодиодов с высоким коэффициентом мощности, без электролитических конденсаторов, с входом переменного тока и высокочастотным пульсирующим выходным током», IEEE Transactions on Power Electronics , vol. 30, нет. 2, стр. 943–955, 2015.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

9. М. А. Аль-Абси, З. Дж. Халифа и А.