reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© Alexander Fediachov / Dreamstime
Analizy |

Prosty układ do zasilania ulicznych lamp LED

Coraz powszechniejsze stosowanie diod LED oraz zastępowanie nimi źródła światła poprzednich generacji stawia przed inżynierami nowe wyzwania z zakresu zagadnień cieplnych, optycznych i elektrycznych.

Coraz powszechniejsze stosowanie diod LED oraz zastępowanie nimi źródła światła poprzednich generacji stawia przed inżynierami nowe wyzwania z zakresu zagadnień cieplnych, optycznych i elektrycznych. Inżynier elektryk przede wszystkim zwraca uwagę na maksymalną sprawność urządzeń. Wybór właściwej topologii sterownika diod LED bywa jednak podyktowany samym ich zastosowaniem. Na przykład od oświetleniowych diod LED wkręcanych w oprawki często wymaga się, aby możliwe było ich przyciemnianie za pomocą triaka, co jednak ogranicza wybór topologii. W przypadku lamp ulicznych LED często nie wymaga się izolacji. Jednak korekcja współczynnika mocy (Power Factor Correction - PFC) jest niezbędna, choć zależy to od decyzji miejscowych władz. W takich zastosowaniach estetycznym rozwiązaniem jest przetwornica PFC SEPIC do zasilania diod LED. Tradycyjnie korekcję współczynnika mocy PFC układowo uzyskuje się stosując przetwornicę podwyższającą typu „BOOT”. Współczynnik mocy to z definicji stosunek mocy rzeczywistej do mocy pozornej dostarczonej do układu. W celu osiągnięcia wysokiego współczynnika mocy układ scalony regulatora podwyższającego PFC wymusza nadążanie prądu wejściowego za kształtem wyprostowanego napięcia przemiennego fazy zasilającej. Wyjście układu podwyższającego zasila izolowaną przetwornicę DC/DC generującą napięcia wymagane przez układ. Takie rozwiązanie prowadzi do podwójnego przekształcania i znacznie ogranicza maksymalną możliwą sprawność. Nawet gdyby sprawność każdego ze stopni przekształcania wyniosła 94 procent, to sprawność całkowita wyniesie tylko 88 procent (0,94 * 0,94 = 0.88). Wyeliminowanie drugiego stopnia przekształcania poprawia sprawność zasilaczy, oszczędza energię i zmniejsza obciążenie cieplne. Przy zastosowaniu przetwornicy podwyższającej, wartość napięcia wyjściowego DC musi być wyższa od szczytowej wartości napięcia zasilania. W przypadku układu zasilanego napięciem 265 V AC napięcie wyjściowe musi przekraczać 375 V DC. W zastosowaniu do oświetlenia ulicznego LED napięcie wyjściowe zależy od wartości spadku napięcia w kierunku przewodzenia dla każdej diody LED oraz liczby szeregowo połączonych diod w łańcuchu. W przypadku białych diod LED spadek napięcia w kierunku przewodzenia wynosi zwykle 3,5 V, jednak z dość dużą tolerancją. Liczba diod LED praktycznie stosowanych łańcuchach zależy od konkretnego zastosowania, lecz prawie zawsze całkowite napięcie wyjściowe nie sięga 375 V DC, co wyklucza użycie przetwornika podwyższającego. Z Rys. 1 widać, że aby móc regulować napięcie diody LED, przetwornik musi podwyższać napięcie w tej części cyklu 50Hz/60Hz, w której napięcie wejściowe jest niższe od napięcia wyjściowego, a obniżać napięcie w pozostałej części cyklu. Przetwornik SEPIC to być może najbardziej podstawowa topologia nieizolowana zdolna do realizacji tej funkcji. Rysunek 1. Lampy uliczne LED mają zwykle napięcie wyjściowe niższe od szczytowego napięcia wejściowego AC i wymagają zastosowania sterownika zdolnego zarówno podwyższać, jak i obniżać napięcie. © Texas Instrruments [opis do rysunku]: Buck Obniżanie boost Podwyższanie rectified Wyprostowane Voltage Napięcie Time Czas Na Rys. 2 przedstawiono uproszczone układy PFC do regulacji współczynnika mocy w topologii podwyższającej i topologii SEPIC ze sprzężeniem indukcyjnym. Dzięki temu, że źródło głównego tranzystora mocy FET jest w obydwu przypadkach połączone z głównym uziemieniem, regulacja w obydwu tych topologiach jest łatwiejsza. W topologii SEPIC można zastosować praktycznie każdy podwyższający regulator PFC, niezależnie od trybu pracy. Korzystniejszy jest tryb przewodzenia nieciągłego (DCM - Discontinuous Conduction Mode), gdyż eliminuje dodatkowe straty mocy związane z czasem przełączania diody wyjściowej, a które występują w trybie przewodzenia ciągłego (CCM - Continuous Conduction Mode). Jednak w trybie DCM występują większe prądy szczytowe, co może stwarzać potencjalne problemy związane z zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i zwiększa prądy przemienne wysokiej częstotliwości w materiałach magnetycznych. Praca w trybie przejściowym (TM – Transition Mode) na granicy między trybem DCM a CCM wykorzystuje zalety trybu DCM, a jednocześnie minimalizuje prądy szczytowe. Ze względu na relatywnie duże wartości prądu szczytowego tryb przejściowy jest generalnie ograniczony do mocy wyjściowych poniżej 150 W. Rysunek 2. Uproszczony schemat układów PFC – podwyższającego i SEPIC. © Texas Instrruments [opis do rysunku]: PFC controller Sterownik PFC Boost PFC PFC podwyższający Regulator PFC pracujący w trybie przejściowym działa w ten sposób, że reguluje prąd szczytowy głównego tranzystora mocy FET. Używając wyprostowanego napięcia w linii zasilającej w charakterze napięcia odniesienia, regulator wymusza nadążanie szczytowego prądu tranzystora FET za sinusoidalnym przebiegiem na wejściu AC. W przetwornicy boost jej średni prąd wejściowy w dowolnym punkcie sinusoidalnego przebiegu 50Hz / 60Hz jest określany za pomocą następującego równania: © Texas Instrruments Stąd prąd szczytowy tranzystora FET w przetwornicy podwyższającej pracującej w trybie TM jest zawsze równy dwukrotności średniego prądu w linii zasilającej, a przebieg tego ostatniego bardzo blisko podąża za przebiegiem napięcia w linii zasilającej. Jednakże w przetwornicy SEPIC ze sprzężeniem indukcyjnym, pracującej w trybie przejściowym TM, średni prąd w linii zasilającej w dowolnym punkcie przebiegu sinusoidalnego ulega modulacji przez współczynnik wypełnienia i jest uzyskiwany za pomocą następującego równania: © Texas Instrruments W równaniu tym czynnikiem zniekształcającym przebieg prądowy jest współczynnik wypełnienia „D”. Jego wartość zależy od stosunku napięcia wyjściowego do wejściowego i zmienia się w trakcie cyklu 50Hz/60Hz. Na Rys. 3 przedstawiono przebiegi prądu sieciowego dla topologii TM Boost (przetwornicy podwyższającej pracującej w trybie przejściowym) i TM SEPIC (przetwornicy SEPIC pracującej w trybie przejściowym) dla różnych napięć wyjściowych. W wielu zastosowaniach zniekształcenia są na tyle małe, że można uzyskać wystarczająco wysoką wartość współczynnika mocy i spełnić wszystkie wymagania dotyczące składu harmonicznych w linii. Rysunek 3. W topologii TM Boost uzyskuje się małe zniekształcenia i dobry współczynnik mocy, podczas gdy w topologii TM SEPIC zniekształcenia i współczynnik mocy zależą od stosunku napięcia wyjściowego do szczytowego napięcia wejściowego. © Texas Instrruments [opis do rysunku]: Theoretical limits Limity teoretyczne Power factor Współczynnik mocy Total harmonic distortion Całkowite zniekształcenie harmoniczne Time Czas Current Prąd Na Rys. 4 przedstawiono schemat przetwornicy TM PFC SEPIC na napięcie wejściowe 230V AC, zasilającego łańcuch 80 białych diod LED. Spadek napięcia na całym łańcuchu może zmieniać się w zakresie od 256 VDC do 304 VDC. Prąd diod LED mierzy się na oporniku R8 i reguluje do wartości 350mA za pomocą sterownika UCC28810 (U2). Sterownik ten gwarantuje pracę w trybie przejściowym, czekając z rozpoczęciem nowego cyklu przełączania, aż z cewki sprzężonej odpłynie cała energia. Energię obecną w cewce mierzy się śledząc napięcie na uzwojeniu pomocniczym na pinie detekcji zera prądu (ZCD – Zero Current Detect). Z tego uzwojenia pomocniczego pobiera się również energię do polaryzacji układu scalonego. Rysunek 4. Ten prosty układ umożliwia skuteczną regulację prądu przetwornika PFC i diod LED. © Texas Instrruments [opis do rysunku]: Line Faza Input Wejście Z zasady działania przetwornice PFC przenoszą moc z wejścia do wyjścia z częstotliwością równej podwojonej częstotliwości zasilania 50 lub 60 Hz. Skutkiem tego na kondensatorze (C5) powstaje napięcie tętniące o częstotliwości 100 Hz lub 120 Hz. Dzieląc wartość tego napięcia przez wartość rezystancji połączonych szeregowo diod LED w łańcuchu otrzymujemy wartość tętnień prądu diod LED 100Hz / 120Hz. Zwykle wartość ta musi się utrzymać poniżej 20 procent średniego prądu diod LED. Występują także znaczne prądy skuteczne płynące przez kondensator wyjściowy, o częstotliwości zarówno 100Hz, względnie 120Hz, jak i częstotliwości równej częstotliwości przełączania. Jednakże oparcie doboru kondensatora na wymogu ograniczenia prądu tętniącego diod LED pozwala zwykle dobrać odpowiednią wartość kondensatora. Na Rys. 5 przedstawiono wykres prądu wyjściowego diod LED dla tego przykładu. Rysunek 5. Prąd diod LED zawiera składową tętniącą 100 Hz © Texas Instrruments Regulatory PFC mają służyć do regulowania dużych napięć wyjściowych i w związku z tym zwykle na pinie sprzężenia zwrotnego występuje w nich relatywnie duże napięcie odniesienia. W naszym układzie napięcie odniesienia wynosi 2,5V. Aby zmniejszyć straty na rezystorze detekcji prądu diod LED do pinu napięcia odniesienia doprowadza się napięcie kompensujące wytwarzane przez układ TLV431A pokazany na Rys. 4. Doprowadzenie tego napięcia zwiększa sprawność o 0,5 procent dzięki redukcji strat w rezystorze detekcyjnym o 0,44W. Na Rys. 6 pokazano ostateczną sprawność i współczynnik mocy dla prezentowanej konstrukcji układu. Rysunek 6. Ta konstrukcja układu pozwala uzyskać sprawność powyżej 90 procent przy współczynniku mocy przekraczającym 0,96. © Texas Instrruments [opis do rysunku]: Efficiency Sprawność Power factor Współczynnik mocy Input voltage Napięcie wejściowe Output Wyjście W tej 100-watowej konstrukcji można łatwo uzyskać sprawność powyżej 90 procent, stosując tylko jeden stopień mocy. Współczynnik mocy przekracza 0,96, co jest wartością w zupełności wystarczającą do większości zastosowań. Przy projektowaniu następnych układów zasilania lamp ulicznych LED być może warto wziąć pod uwagę układ PFC SEPIC ze względu na niewielką liczbę podzespołów, dokładną regulację prądu, wysoki współczynnik mocy i sprawność. O autorze Brian King jest inżynierem aplikacyjnym w firmie Texas. Jest członkiem IEEE, ma tytuły licencjata (BSEE) i magistra inżyniera elektryka (MSCEE) uzyskane na Uniwersytecie Stanu Arkansas. Podziękowania Artykuł został udostępniony dzięki uprzejmości firmy Texas Instruments

reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
March 28 2024 10:16 V22.4.20-1
reklama
reklama