Circuito driver led senza trasformatore per design di lampadine led affidabili a basso costo

Si dice che le lampadine a LED siano più efficienti dell'80% rispetto ad altre opzioni di illuminazione convenzionali come le lampadine fluorescenti e a incandescenza. Il rapido adattamento delle lampadine a LED è già evidente intorno a noi e il valore di mercato globale delle lampadine a LED ha raggiunto circa 5,4 miliardi di dollari nel 2018. Una sfida, nella progettazione di queste lampadine a LED è che la luce a LED, come sappiamo, funziona con tensione CC e rete l'alimentazione è CA, quindi è necessario progettare un circuito driver LED che possa convertire la tensione di rete CA in un livello adeguato di tensione CC richiesto per la lampadina LED. In questo articolo progetteremo un circuito driver LED così pratico a basso costo utilizzando l' IC di commutazione LNK302 per alimentare quattro LED (in serie) in grado di fornire 200 lumen funzionanti a 13,6 V e consumando circa 100-150 mA.

Avvertenza: prima di procedere è molto importante assicurarsi di lavorare con estrema cautela intorno alla rete CA. Il circuito e i dettagli qui forniti sono stati testati e gestiti da esperti. Eventuali contrattempi possono causare gravi danni e potrebbero anche essere letali. Lavora a tuo rischio. Sei stato avvertito.

Circuito di alimentazione senza trasformatore

Un circuito driver LED molto grezzo può essere costruito utilizzando il metodo Capacitor Dropper, proprio come abbiamo fatto nel nostro precedente progetto di alimentazione senza trasformatore. Sebbene questi circuiti siano ancora utilizzati in alcuni prodotti elettronici molto economici, soffre di molti inconvenienti di cui parleremo più avanti. Quindi in questo tutorial non useremo il metodo Capacitor Dropper, ma costruiremo un circuito driver LED affidabile usando un IC di commutazione.

Inconveniente del circuito di alimentazione transfromerless a caduta di condensatori

Questo tipo di circuito di alimentazione senza trasformatore è più economico dell'alimentatore switching standard a causa del basso numero di componenti e dell'assenza di magnetismo (trasformatore). Utilizza un circuito contagocce del condensatore che utilizza la reattanza di un condensatore per far cadere la tensione di ingresso.

Sebbene questo tipo di design senza trasformatore si riveli molto utile in alcuni casi in cui il costo di produzione di un particolare prodotto deve essere inferiore, il design non fornisce l'isolamento galvanico dalla rete CA e quindi dovrebbe essere utilizzato solo in prodotti che non vengono a contatto diretto con gli umani. Ad esempio, può essere utilizzato in luci a led ad alta potenza, dove l'involucro è realizzato con plastica dura e nessuna parte del circuito è esposta per l'interazione dell'utente una volta installata. Il problema con questi tipi di circuiti è che se l'alimentatore si guasta, potrebbe riflettere l'alta tensione CA in ingresso attraverso l'uscita e questo può diventare una trappola mortale.

Un altro svantaggio è che questi circuiti sono limitati a una bassa corrente nominale. Questo perché la corrente di uscita dipende dal valore del condensatore utilizzato, per una corrente nominale più elevata è necessario utilizzare un condensatore molto grande. Questo è un problema perché i condensatori ingombranti aumentano anche lo spazio sulla scheda e aumentano i costi di produzione. Inoltre, il circuito non ha circuiti di protezione, come protezione da cortocircuito in uscita, protezione da sovracorrente, protezione termica, ecc. Se è necessario aggiungerli, aumenta anche il costo e la complessità. Anche se tutto è fatto bene, non sono affidabili.

Quindi, la domanda è: esiste una soluzione che possa essere più economica, efficiente, semplice e di dimensioni più piccole insieme a tutti i circuiti di protezione per realizzare un circuito driver LED ad alta potenza da CA a CC non isolato? La risposta è sì ed è esattamente ciò che costruiremo in questo tutorial.

Selezione del LED giusto per la tua lampadina LED

Il primo passo nella progettazione di un circuito di pilotaggio della lampadina LED è decidere il carico, ovvero il LED che utilizzeremo nelle nostre lampadine. Quelli che usiamo in questo progetto sono mostrati di seguito.

I LED nella striscia sopra sono un 5730 confezioni da 0,5 watt LED bianchi freddi con un flusso luminoso di 57lm. La tensione diretta va da un minimo di 3,2 V al massimo di 3,6 V con una corrente diretta da 120 a 150 mA. Pertanto, per produrre 200 lumen di luce, è possibile utilizzare 4 LED in serie. La tensione necessaria per tale nastro sarà 3,4 x 4 = 13,6 V e la corrente 100-120mA fluirà attraverso ogni led.

Ecco lo schema dei LED in serie:

LNK304 - Driver LED IC

Il driver IC selezionato per questa applicazione è LNK304. Può fornire con successo il carico richiesto per questa applicazione insieme a riavvio automatico, cortocircuito e protezione termica. Le caratteristiche possono essere viste nell'immagine qui sotto:

Selezione degli altri componenti

La selezione di altri componenti dipende dal driver IC selezionato. Nel nostro caso la scheda tecnica, il progetto di riferimento utilizza un raddrizzatore a semionda utilizzando due diodi di recupero standard. Ma in questa applicazione, abbiamo utilizzato Diode Bridge per la rettifica a onda intera. Può aumentare il costo di produzione, ma alla fine, i compromessi di progettazione sono importanti anche per la corretta erogazione della potenza attraverso il carico. Il diagramma schematico senza valori può essere visto nell'immagine sottostante, ora parliamo di come selezionare i valori

Quindi, il Diode Bridge BR1 è selezionato DB107 per questa applicazione. Tuttavia, per questa applicazione è possibile selezionare anche un ponte a diodi da 500 mA. Dopo il ponte a diodi, viene utilizzato un filtro pi in cui sono necessari due condensatori elettrolitici insieme a un induttore. Ciò rettificherà la CC e ridurrà anche l'EMI. I valori dei condensatori selezionati per questa applicazione sono condensatori elettrolitici da 10uF 400V. I valori devono essere superiori a 2.2uF 400V. Ai fini dell'ottimizzazione dei costi, da 4,7uF a 6,8uF possono essere la scelta migliore.

Per l'induttore, si consigliano più di 560 uH con 1,5 A della corrente nominale. Pertanto, C1 e C2 sono selezionati per essere 10uF 400V e L1 come 680uH e un ponte a diodi DB107 da 1,5A per DB1.

La corrente continua rettificata viene immessa nel driver IC LNK304. Il pin di bypass deve essere collegato alla sorgente tramite un condensatore da 0,1uF 50V. Pertanto C3 è un condensatore ceramico da 0,1uF 50V. D1 è necessario per essere un diodo ultraveloce con un tempo di ripristino inverso di 75 ns. È selezionato come UF4007.

FB è il pin di feedback e i resistori R1 e R2 vengono utilizzati per determinare la tensione di uscita. La tensione di riferimento sul pin FB è 1,635 V, l'IC commuta la tensione di uscita fino a ottenere questa tensione di riferimento sul pin di feedback. Pertanto, utilizzando un semplice calcolatore di partitore di tensione, è possibile selezionare il valore dei resistori. Quindi, per ottenere 13,6 V come uscita, il valore del resistore viene selezionato in base alla formula seguente

Vout = (tensione sorgente x R2) / (R1 + R2)

Nel nostro caso Vout è 1.635V, la tensione Source è 13.6V. Abbiamo selezionato il valore R2 come 2.05k. Quindi, l'R1 è 15k. In alternativa è possibile utilizzare questa formula per calcolare anche la tensione della sorgente. Il condensatore C4 è selezionato come 10uF 50V. D2 è un diodo raddrizzatore standard 1N4007. L2 è uguale a L1 ma la corrente può essere inferiore. L2 è anche 680uH con una valutazione di 1,5 A.

Il condensatore del filtro di uscita C5 è selezionato come 100uF 25V. R3 è un carico minimo utilizzato ai fini della regolazione. Per la regolazione a carico zero, il valore è selezionato come 2.4k. Lo schema aggiornato insieme a tutti i valori è mostrato di seguito.

Funzionamento del circuito driver LED senza trasformatore

Il circuito completo funziona nella topologia di commutazione dell'induttore MDCM (modalità di conduzione prevalentemente discontinua). La conversione da CA a CC viene effettuata dal ponte a diodi e dal filtro pi. Dopo aver ottenuto la corrente continua rettificata, la fase di elaborazione della potenza viene eseguita da LNK304 e D1, L2 e C5. La caduta di tensione tra D1 e D2 è quasi la stessa, il condensatore C3 controlla la tensione di uscita e, a seconda della tensione attraverso il condensatore C3, viene rilevata dall'LNK304 utilizzando il partitore di tensione e regolando l'uscita di commutazione attraverso i pin della sorgente.

Costruzione del circuito driver LED

Tutti i componenti necessari per la costruzione del circuito, ad eccezione degli induttori. Quindi dobbiamo avvolgere il nostro induttore utilizzando filo di rame smaltato. Ora esiste un approccio matematico per calcolare il tipo di anima, lo spessore del filo, il numero di giri ecc. Ma per semplicità faremo solo alcuni giri con la bobina e il filo di rame disponibili e utilizzeremo un misuratore LCR per verificare se abbiamo raggiunto il valore richiesto. Dato che il nostro progetto non è molto sensibile al valore dell'induttore e la corrente nominale è bassa, questo modo rozzo funzionerà perfettamente. Se non si dispone di un misuratore LCR, è possibile utilizzare anche un oscilloscopio per misurare il valore dell'induttore utilizzando il metodo della frequenza di risonanza.

L'immagine sopra mostra che gli induttori sono controllati e il valore è superiore a 800uH. È utilizzato per L1 e L2. Per i LED viene realizzata anche una semplice scheda rivestita in rame. Il circuito è costruito in una breadboard.

Test del circuito del driver LED

Il circuito viene prima testato utilizzando un VARIAC (trasformatore variabile) e quindi controllato in una tensione di ingresso universale che è 110 V / 220 V CA. Il multimetro a sinistra è collegato all'ingresso CA e un altro multimetro a destra è collegato a un singolo LED per controllare la tensione CC in uscita.

La lettura viene effettuata in tre diverse tensioni di ingresso. Il primo sul lato sinistro che mostra una tensione di ingresso di 85 V CA e attraverso un singolo led mostra 3,51 V mentre la tensione del LED su una diversa tensione di ingresso sta cambiando leggermente. Di seguito il video di lavoro dettagliato.