Circuit de controladors led sense transformador per a dissenys de bombetes led de baix cost fiables

Es diu que les bombetes LED són un 80% més eficients que altres opcions d’il·luminació convencionals, com ara les bombetes fluorescents i incandescents. L’adaptació ràpida de les bombetes LED ja es nota al nostre voltant i el valor mundial del mercat de les bombetes LED ha arribat als 5,4 mil milions de dòlars el 2018. Un desafiament en dissenyar aquestes bombetes LED és que la llum LED, com sabem, funciona amb la tensió CC i la xarxa elèctrica. la font d'alimentació és de CA, per tant, hem de dissenyar un circuit de controlador LED que pugui convertir la tensió de corrent altern en un nivell adequat de voltatge continu requerit per a la bombeta LED. En aquest article dissenyarem un circuit de control de LED de baix cost tan pràctic mitjançant LNK302 IC de commutació per alimentar quatre LED (en sèrie) que poden proporcionar 200 lúmens que funcionen a 13,6 V i consumeixen al voltant de 100-150 mA.

Advertència: abans de continuar, és molt important assegurar-se que es treballa amb molta precaució al voltant de la xarxa de CA. El circuit i els detalls proporcionats aquí van ser provats i gestionats per experts. Qualsevol contratemps pot provocar danys greus i també pot ser letal. Treballa al teu propi risc. Has estat avisat.

Circuit d'alimentació sense transformador

Es pot construir un circuit de controladors LED molt cru mitjançant el mètode Capacitor Dropper, tal com vam fer en el nostre anterior projecte de subministrament d’energia sense transformador. Tot i que aquests circuits encara s’utilitzen en alguns productes electrònics molt econòmics, pateix molts inconvenients que parlarem més endavant. Per tant, en aquest tutorial no utilitzarem el mètode Capacitor Dropper, sinó que crearem un circuit de controladors LED fiable mitjançant un circuit de commutació.

Inconvenient del circuit d'alimentació transfromera de caiguda de condensador

Aquest tipus de circuit d’alimentació sense transformador és més barat que el tipus d’alimentació estàndard en mode de commutació a causa del baix recompte de components i de l’absència de magnètics (transformador). Utilitza un circuit comptagotes que utilitza la reactància d’un condensador per deixar caure el voltatge d’entrada.

Tot i que aquest tipus de dissenys sense transformador resulta molt útil en determinats casos en què el cost de producció d’un determinat producte ha de ser inferior, el disseny no proporciona aïllament galvànic de la xarxa de CA i, per tant, només s’ha d’utilitzar en productes que no entren en contacte directe amb humans. Per exemple, es pot utilitzar en llums LED d'alta potència, on el recinte està fabricat amb plàstic dur i no s'exposa cap part del circuit per a la interacció de l'usuari un cop instal·lat. El problema d’aquest tipus de circuits és que si la font d’alimentació falla, podria reflectir l’alta tensió de CA d’entrada a la sortida i això pot convertir-se en un parany mortal.

Un altre inconvenient és que aquests circuits es limiten a una intensitat baixa. Això es deu al fet que el corrent de sortida depèn del valor del condensador utilitzat, per obtenir una intensitat de corrent superior s’ha d’utilitzar un condensador molt gran. Això és un problema perquè els condensadors voluminosos també augmenten l’espai de la placa i augmenten els costos de producció. A més, el circuit no té cap circuit de protecció, com la protecció contra el curtcircuit de sortida, la protecció contra sobrecorrent, la protecció tèrmica, etc. Si cal afegir-los, també augmenta el cost i la complexitat. Fins i tot si es fan tots bé, no són fiables.

Per tant, la pregunta és: hi ha alguna solució que pugui ser més barata, eficaç, senzilla i de mida més petita juntament amb tots els circuits de protecció per crear un circuit de controlador LED d’alta potència de CA a CC no aïllat? La resposta és sí i això és exactament el que construirem en aquest tutorial.

Selecció del LED adequat per a la bombeta LED

El primer pas per dissenyar un circuit de control de bombetes LED és decidir la càrrega, és a dir, el LED que farem servir a les nostres bombetes. Els que fem servir en aquest projecte es mostren a continuació.

Els LED de la franja anterior són 5730 paquets de LEDs blancs freds de 0,5 watts amb un flux lluminós de 57 lm. La tensió d’anada és mínima de 3,2 V a la màxima de 3,6 V amb un corrent d’ anada de 120 a 150 mA. Per tant, per produir 200 lúmens de llum, es poden utilitzar 4 LED en sèrie. La tensió necessària d’aquesta tira serà de 3,4 x 4 = 13,6 V i el corrent de 100-120 mA fluirà per cada led.

Aquí teniu l’esquema dels LED de la sèrie -

LNK304 - IC del controlador LED

El controlador IC seleccionat per a aquesta aplicació és LNK304. Pot proporcionar la càrrega necessària per a aquesta aplicació juntament amb el reinici automàtic, el curtcircuit i la protecció tèrmica. Les funcions es poden veure a la imatge següent:

Selecció dels altres components

La selecció d'altres components depèn de l'IC del controlador seleccionat. En el nostre cas, el disseny de referència del full de dades utilitza un rectificador de mitja ona que utilitza dos díodes de recuperació estàndard. Però en aquesta aplicació, hem utilitzat Diode Bridge per a la rectificació d’ona completa. Pot augmentar el cost de producció, però, al final, els compromisos de disseny també importen per subministrar una energia adequada a tota la càrrega. El diagrama esquemàtic sense valors es pot veure a la imatge següent, ara discutirem com seleccionar els valors

Per tant, el Diode Bridge BR1 està seleccionat DB107 per a aquesta aplicació. Tot i això, també es pot seleccionar el pont de díodes de 500 mA per a aquesta aplicació. Després del pont de díodes, s'utilitza un filtre pi on es requereixen dos condensadors electrolítics juntament amb un inductor. Això rectificarà la CC i també reduirà l’EMI. Els valors dels condensadors seleccionats per a aquesta aplicació són uns condensadors electrolítics de 10uF 400V. Els valors han de ser superiors als 2,2uF 400V. A efectes d'optimització de costos, de 4,7 uF a 6,8 uF pot ser la millor opció.

Per a l’inductor, es recomana més de 560 uH amb 1,5 A de la qualificació actual. Per tant, C1 i C2 es seleccionen per ser 10uF 400V i L1 com a 680uH i un pont de díodes DB107 de 1.5A per DB1.

El CC rectificat s’introdueix al controlador IC LNK304. El pin de derivació ha d’estar connectat amb la font mitjançant un condensador de 0,1uF 50V. Per tant, C3 és un condensador ceràmic de 0,1uF 50V. Cal que D1 sigui un díode ultraràpid amb un temps de recuperació inversa de 75 ns. Es selecciona com a UF4007.

FB és el pin de retroalimentació i la resistència R1 i R2 s’utilitzen per determinar la tensió de sortida. La tensió de referència a través del pin FB és de 1,635 V, l’IC commuta la tensió de sortida fins que obté aquesta tensió de referència al pin de retroalimentació. Per tant, utilitzant una calculadora simple de divisor de voltatge, es pot seleccionar el valor de les resistències. Per tant, per obtenir 13,6 V com a sortida, el valor de la resistència es selecciona segons la fórmula següent

Vout = (tensió de la font x R2) / (R1 + R2)

En el nostre cas, Vout té 1.635V, la tensió de la font és de 13.6V. Hem seleccionat el valor R2 com a 2,05 k. Per tant, el R1 és 15k. També podeu utilitzar aquesta fórmula per calcular la tensió de la font. El condensador C4 es selecciona com a 10uF 50V. D2 és un díode rectificador estàndard 1N4007. El L2 és el mateix que el L1, però el corrent pot ser menor. L2 també és de 680uH amb una qualificació d’1,5A.

El condensador de filtre de sortida C5 es selecciona com a 100uF 25V. R3 és una càrrega mínima que s’utilitza amb fins reguladors. Per a la regulació de la càrrega zero, el valor se selecciona com a 2,4 k. A continuació es mostra l’esquema actualitzat juntament amb tots els valors.

Funcionament del circuit de controladors LED sense transformador

El circuit complet funciona en topologia de commutació d’inductors MDCM (mode de conducció principalment discontinu). La conversió de CA a CC es fa mitjançant el pont de díodes i el filtre pi. Després d'obtenir la correcció continuada, l'etapa de processament de potència la realitzen els LNK304 i D1, L2 i C5. La caiguda de tensió a través del D1 i el D2 és gairebé la mateixa, el condensador C3 comprova la tensió de sortida i depèn de la tensió del condensador C3 que el LNK304 detecta mitjançant el divisor de tensió i regula la sortida de commutació a través dels pins de la font.

Construint el circuit de controladors LED

Tots els components necessaris per a la construcció del circuit, excepte els inductors. Per tant, hem de bobinar el nostre propi inductor mitjançant filferro de coure esmaltat. Ara hi ha un enfocament matemàtic per calcular el tipus de nucli, gruix del cable, nombre de voltes, etc. No obstant això, per a fins simplicitat ens limitarem a fer algunes voltes amb el fil de la bobina i coure disponible i utilitzar un mesurador de LCR per comprovar si hem arribat el valor requerit. Si el nostre projecte no és molt sensible al valor de l’inductor i la qualificació actual és baixa, aquesta manera crua funcionarà bé. Si no teniu un comptador LCR, també podeu utilitzar un oscil·loscopi per mesurar el valor de l’inductor mitjançant el mètode de freqüència de ressonància.

La imatge anterior mostra que els inductors estan comprovats i el valor és superior als 800 uH. S'utilitza per a L1 i L2. També es fa una senzilla placa de coure revestida per a LEDs. El circuit està construït en una taula de treball.

Prova del circuit del controlador LED

El circuit es prova primer amb un VARIAC (Variable Transformer) i després es comprova amb una tensió d’entrada universal que és de 110V / 220V AC. El multímetre de l’esquerra es connecta a l’entrada de CA i un altre multímetre de la dreta es connecta a través d’un sol LED per comprovar la tensió de CC de sortida.

La lectura es realitza en tres voltatges d'entrada diferents. El primer del costat esquerre que mostra un voltatge d’entrada de 85VAC i, a través d’un sol led, mostra 3,51V, mentre que el voltatge del led a diferents voltatges d’entrada està canviant lleugerament. El vídeo de treball detallat es pot trobar a continuació.