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無線電子工学および電気工学の百科事典 28810...18 W LED ランプ用の UCC48 チップ上の電源。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
著者は読者に LED ランプ用の電源 (LED ドライバーとも呼ばれます) の XNUMX つのオプションを提供しています。そのうちの XNUMX つである XNUMX つ目は、多くの点で高級 (プレミアム) 電源に起因すると考えられます。 過去数年間で、LED は間違いなく最も人気のある光源となり、他のタイプに取って代わりつつあります。 したがって、以前はLEDが表示装置と関連付けられており、主に技術専門家によく知られていましたが、今日ではこの言葉は一般的になり、通常の白熱灯とほぼ同義になっています。 そして、これは驚くべきことではありません。なぜなら、現代の技術により、白熱灯の100倍以上であるXNUMX lm / W以上の光出力を持つ白色LEDを入手して量産することが可能になるとすぐに、電球型蛍光灯の XNUMX ～ XNUMX 倍のエネルギー資源の節約という問題に新たな解決策がもたらされました。 これを世界中の照明装置の開発者や製造業者がうまく活用し、既存のすべての種類のランプや照明器具の LED の「類似品」を驚くべきスピードで市場に送り込みました。 さらに、LED は製造性と信頼性が高く、寸法が小さいため、さまざまな形状、サイズ、デザイン、目的の光源を作成することができ、これまでにない経済的なソリューションを提供します。 LED 照明の最も大規模な用途の 18 つは、電力が約 48 ～ XNUMX ワットのオフィスの天井照明です。 現在、建設中の新しい施設と既存の施設の両方が設置され、老朽化した蛍光灯の公園に代わっています。 LED ランプは、条件に応じて XNUMX つのコンポーネントに分けることができます。LED 自体と、電源 (ドライバー、LED ドライバー (英語) と呼ばれることが多い安定した電流源) です。 どちらもランプの技術的特性、品質、価格を同様に決定します。 LEDが光束と色温度を決定する場合、光束の脈動係数、電力消費率など、同様に重要なパラメータはその電源に依存します。はい、LEDランプの信頼性は主に電源の信頼性によって決まります。 現在、市場では既製の照明器具が幅広く提供されているほか、LED モジュールやその電源も個別に提供されています。 国内メーカーを含むさまざまなメーカーの最大 50 W の電源（制御型および制御機能付き（調光）は考慮されていません）の数十モデルの比較分析を行った後、高品質 LED が必要とする主なパラメータの一般化されたリストが作成されました。ドライバーは以下を備えている必要があります。これはプレミアム クラスに起因すると考えられます。
この記事では、上記の要件を満たす電源の開発経験と、古い蛍光灯を LED に簡単に変換する例を紹介したいと思います。 出力電圧間隔は 60 ～ 120 V の範囲で選択できます。出力電流調整間隔は 240 ～ 350 mA の範囲であり、ほとんどの一般的な LED ストリップを接続できます。 このような問題を解決するための回路ソリューションには多くのオプションがあります。 しかし、ここで最も一般的で明白なのは、ガルバニック絶縁を備えたフライバック コンバータ (海外の文献ではフライバックと呼ばれています) です。 このようなコンバータを構築するための膨大な数の特殊なマイクロ回路があり、少なくとも数十のファミリがあります。 そして、時には個人的な共感だけに基づいて、特定のマイクロ回路を支持する選択をすることもできます。 アマチュア無線の現場では、チップの価格と入手可能性のみに基づいて選択が行われることがよくあります。 また、選択する際の非常に重要な議論は、必要な参考情報、できれば特定のマイクロ回路の使用例がメーカーの Web サイトに存在することです。 私たちの場合、UCC28810D チップが選択されました。 この超小型回路は、実際にはスイッチング電源用の汎用 PWM コントローラであり、フライバック コンバータとフォワード コンバータ、降圧コンバータと昇圧コンバータの両方を組み立てるのに使用できます。 また、マイクロ回路の重要な利点は、消費電力補正機能が組み込まれていることです。 これにより、追加の補正器を使用せずに、電力消費率 (PF - 力率) が少なくとも 0,9 のコンバータを実装できます。 マイクロ回路の完全な説明は、たとえば [1] にあります。 メーカーの Web サイト (Texas Instruments) には、LED 照明用に設計された UCC28810D を使用した電源の既製の例 (リファレンス デザイン) が多数あり、開発プロセスが大幅に容易になりました。 私たちの場合、バリアント [2] が基礎として採用されます。 二次部分を中心に加工を施しております。 やや珍しい専用オペアンプTL103WDを、一般的で安価なLM258Dに置き換え、出力電流を調整する機能を追加しました。 結果のソースの図を図に示します。 1.
デバイスの主要コンポーネントと動作原理を簡単に考えてみましょう。 電流センサーは二次回路、抵抗器R22、R23に取り付けられています。 これは、ゲイン 2.1 の DA37,5 差動アンプの入力に接続されています。 次に、増幅された信号がオペアンプ DA2.2 の反転入力に供給されます。 例示的な電圧は、並列安定器 DA3 上の調整可能な電源から非反転入力に供給されます。 OA DA2.2 はコンパレータの機能を実行します。 反転入力の電圧が基準レベル（非反転入力）を超えるとすぐに、DA2.2出力の電圧はゼロに低下し、フォトカプラU1が開きます。 その結果、DA1 チップはトランジスタ VT2 のオープン時間を短縮し、負荷を流れる電流は設定値まで減少します。 可変抵抗器 R27 を使用すると、DA2.2 コンパレータの非反転入力の例示的な電圧を調整でき、それに応じて負荷 (LED) を流れる電流も調整できます。 たとえば、負荷電流が 350 mA の場合、非反転入力 DA2.2 の電圧は約 3,5 V となり、抵抗 R27 スライダのほぼ中央の位置になります。 たとえばアイドル モードで出力電圧が 125 ～ 128 V を超えると、複合ツェナー ダイオード VD14 ～ VD16 が開き、コンパレータ DA2.2 もフォトカプラ U1 を開き、DA1 チップがオープン時間を短縮します。トランジスタVT2の。 オペアンプとフォトカプラ用の安定化 (3 V) 電源は、VT4 トランジスタと調整可能な基準電圧源 DA11,8 に組み込まれています。 DA1 チップには、スイッチがオンになると抵抗 R7、R8 を介して電力が供給されます。 定常状態では、マイクロ回路は、トランジスタ VT1 の安定器を介して、変圧器 T1 の追加巻線によって電力を供給されます。 同じ巻線は、抵抗 R13、R16 を介して TZE 入力 (ピン 5) DA1 に接続されており、トランス T1 のエネルギーがゼロになる瞬間を制御するのに役立ちます。これは、トランジスタ VT2 が次に開く瞬間を決定するのに必要です。 UCC28810D チップの完全な説明と動作原理については、[1] を参照してください。 説明した電源の組み立て、調整、テスト後の結果は次のとおりでした。 特長:
これらのことから、予想に反して、光源は記事の冒頭で与えられた最も重要な要件の 12 つである光束の脈動係数を満たしていないことがわかります。 結果として得られる 3% という値も、コンピューターで作業するための部屋の照明に関する衛生的および疫学的規則および規制 [5] には準拠していません (08% を超えないようにする必要があります)。しかし、これは非常に適切です。 、街路照明、倉庫、体育館などに使用されます。光束の脈動係数は、負荷が42つの直列接続されたLEDラインの形で接続されたとき、合計電力でTKA-PKM（350）照度計を使用して測定されました。 2W、消費電流は100mAです。 オシロスコープ (図 3,6) では、これらのリップルは、約 100 V の一定レベルでわずか XNUMX V の振幅を持つ XNUMX Hz のハムとして現れます (オシロスコープの入力は AC 電圧モードです)。
開発 (一部の要素の計算、基板の配線、組み立てなど) に多くの時間が費やされたため、デバイスを改良しながらすべての要件への準拠を達成することが決定されました。 リップルを低減する最も簡単な方法は、平滑コンデンサ C16 の容量を大きくすることです。 330 マイクロファラッドから 1000 マイクロファラッド (330 V で 160 つの 5 マイクロファラッドのコンデンサを並列接続) に増加すると、光束リップル係数は XNUMX% 未満に低下しました。これは良好ですが、まだ十分ではありません。 さらに、デバイス全体の寸法はほぼXNUMX倍になり、高電圧酸化物コンデンサのコストは決して安くありません。 コンデンサ C8 の静電容量を増やすと、さらに良い結果が得られます。 フィルムコンデンサ C8 を 47 μF の酸化物容量に置き換えると、ランプの光束リップル係数は所望の 1% に減少しました。 しかし、この場合、予想通り、電力消費係数が 0,95 から 0,5 に減少するという別の問題が発生します。 これは、ドライバの入力抵抗の容量成分が大幅に増加するために発生します。言い換えれば、デバイスがネットワークの容量性負荷になることです。 この場合の完全に論理的な解決策は、ノイズ入力フィルタとコンバータの間にアクティブ力率補正器を組み込むことです。 もちろん、より単純なパッシブ補正器を使用することもできますが、その効果ははるかに低くなります。 このような改良により要素の総数が大幅に増加し、デバイスが複雑になりますが、主なタスクは宣言されたパフォーマンスを達成することであるため、このオプションを使用することが決定されました。 変更されたデバイスの違いのスキームを図に示します。 3. 要素の番号付けは、図で開始したものを継続します。 1. 力率補正アセンブリは、図の図に示すように、正の電源線の切れ目に接続されています。 1クロス。 さらに、1 nF コンデンサ (C29) と 1 W の電力を持つ 0,25 MΩ 抵抗 (R55) が出力と並列に取り付けられます。 ダイオード VD1、VD2 が取り外され (図 1 を参照)、抵抗 R1 および R2 (電力 0,125 W) と直列に、抵抗 1 MΩ、電力 0,125 W の別のダイオード (図 54 で R1 とマーク) が取り付けられました。ボード)、その出力の 19 つは回路抵抗 R3 に従って上部出力に接続され、もう 1 つは VD3 ダイオードのカソードに接続されます (図 3)。 コンデンサはスタビライザ DA4 と DA3 の端子 1 と 27 の間に接続されます。端子 DA4 の間は 10 nF (C28)、DA20 ～ 4,7 nF (C0,1) の容量です。 4,7μFの容量のコンデンサCXNUMX（XNUMXμFの代わりに）と並列に、同じ容量の別のコンデンサ（XNUMXμF）が取り付けられます。
また、一部の要素の値が変更されています。 コンデンサの容量 C1 は 0,2 μF に増加、s1 1 - 最大 4,7 μF、C17 - 最大 0,1 μF、C8 - 0,1 μF に減少、C16 - 最大 100 μF、C18 - 最大 0,047 μF、C19 -最大 2,2 uF、C9 - 150 pF では、酸化物コンデンサ C6 は 4,7 uF のセラミック静電容量に置き換えられます。 抵抗 R22、R23 (電流センサー) は、1 W の電力を持つ 1 つの 17 オーム抵抗に置き換えられます。 抵抗器 R1 の抵抗値は 0,25 オーム、消費電力は 18 ワットです。 並列接続された 19 つの抵抗 (R1、R3) の代わりに、13 オームの抵抗を持つ同じ電源の 4 つが取り付けられます。 抵抗器の抵抗 R10 - 7 kOhm、R8 - 120 kOhm、R20 および R24 - 1,8 kOhm、R21 および R25 - 36 kOhm、R26 および R10 - 55 kOhm、R51 - 16 Ohm。 ツェナー ダイオード BZV55C18 (VD55) は BZV15C8 に、BZV55C18 (VD2) は BZV11C1 に置き換えられました。 HSXNUMXK (VDXNUMX) ダイオードの代わりに HSXNUMXJ が使用されます。 有効電力補正器は、特殊な L6561D (DA5) マイクロ回路で作られています。 典型的な有効電力補正器の動作原理を図4のグラフに示します。 4. トランジスタ VT2 が開いているとき、変圧器 T3 の一次巻線はダイオード ブリッジ VD6-VD26 の出力に接続され、そこにエネルギーが蓄積されます。 このとき、コンデンサC4は装置の残りの部分の電源として機能します。 一次巻線を流れる電流がその最大値に達すると、トランジスタ VT2 が閉じ、変圧器 T19 は蓄積されたすべてのエネルギーをダイオード VD26 を介してコンデンサ C2 に与え始めます。 このプロセスは、主電源電圧の半サイクル (グラフの青い曲線) にわたって何度も繰り返されます (一次巻線 T5 を流れる鋸歯状電流がグラフの赤で示されています)。その結果、平均電流の形状が決まります。消費される電流は正弦波に近くなります (緑色で表示)。 制御パルスの周波数は DA26 チップによって決定され、主電源電圧の瞬時値とコンデンサ C49 の放電速度に依存します。 INV 入力 (ピン 53) DA1 に接続された分圧器 R5 ～ R390 を利用して、補正器の出力に XNUMX V の電圧が設定されます。 MULT 入力 (ピン 40) DA43 に接続された R3-R5 分圧器は、ネットワークの動作電圧間隔を設定します。この場合、補正器は 390 ～ 26 の入力電圧範囲でコンデンサ C90 の 265 V の一定レベルを維持します。 V. 補正器には、トランジスタ VT20 の安定化電源から VD1 ダイオードを介して電力が供給されます (図 1 を参照)。 この点に関して、フライバックコンバータが起動した後でのみ動作を開始します。 入力 CS (ピン 4) DA5 は、トランジスタ VT4 を流れる電流を制御するために使用されます。 GD 出力 (ピン 7) から、制御パルスがトランジスタ VT4 のゲートに供給されます。 マイクロ回路の ZCD 入力 (ピン 5) は、変圧器を流れる電流がほぼゼロに減少する瞬間を決定するのに役立ちます。 マイクロ回路の動作のより詳細な説明は、[4] に記載されています。
XNUMX 番目のドライバー オプションには、次のものがあります。 特長:
ご覧のとおり、5 番目のオプションはすべての要件を満たしています。 小さな欠点としては、効率の低下が考えられます。 出力電圧の変動成分（リップル）のオシログラムを図に示します。 2. わかりやすくするために、オシロスコープと LED 負荷の設定は図の場合と同じです。 6. 次のオシログラムを取得するときに同じ荷重が使用されました。 2 上（緑）の波形 - トランジスタ VT7 のドレインの電圧、下（黄） - ゲートの電圧。 図の。 4 上 (緑) - トランジスタ VTXNUMX のドレイン上、下 (黄) - ゲート上。
プリント基板は両方のオプション向けに設計されています。 最初のオプションの基板図を図に示します。 8、要素の位置 - 図。 9、10番目 - 図。 11、要素の位置 - 図。 十一 。 ボードは片面にラミネートされた FR-4 グラスファイバーで作られています。 表面実装用のすべての要素は、プリント導体の側、出力側、反対側に配置されています。
ノイズ抑制フィルタ L2 のインダクタは E19/8/5 (Epcos) 磁気回路に巻かれており、インダクタンスは 350 mH で、各巻線には直径 130 mm のワイヤが 0,25 回巻かれています。 インダクタ L1 は、3 mH の標準的なダンベル型インダクタンスで、少なくとも 0,3 A の電流用に設計されています。ドライバの両方のバージョンのトランス T1 は同じであり、磁気コア E25/13/7 (Epcos) で作られています。 ) 27 mm のギャップを持つ N0,5 材料。 一次巻線 (I) は 47 つの部分で構成され、22 + 0,3 ターンの 0,7 芯ワイヤが含まれており、コア直径は 53 mm です。 一次巻線のインダクタンスは 0,3 mH です。 二次巻線 (III) には 13 回の 0,3 芯ワイヤが含まれており、コア直径は 47 mm です。 追加巻線 II には、直径 22 mm の単芯線が XNUMX 回巻かれています。 巻線の順序は次のとおりです。まず、一次巻線の最初の部分が XNUMX ターン巻かれ、次に二次巻線、次に一次巻線の XNUMX 番目の部分が XNUMX ターン巻かれ、最後に追加巻線が巻かれます。 電源補正トランスは同じ磁気回路を持ち、同じギャップを持っています。 一次巻線には直径 175 mm の単芯ワイヤが 0,3 回巻かれ、二次巻線には 7 回巻かれます。 一次巻線のインダクタンスは 2,5 mH です。 抵抗器R20〜R26、R28〜R37は1%の許容誤差で使用することが好ましく、残りは10%です。 ドライバの 5 番目のバージョン用の表面実装コンデンサ C7、C9、C12、C13、C17、C18、C22、C28、C0603 - サイズ 6、C11、C19、C20、C21、C23、C24、C27、C0805 - サイズ 30、 C1206 - サイズ 5。ドライバの最初のバージョンの表面実装コンデンサ C7、C9、C12、C13、C17、C18、C0603 - サイズ 11、C19、C20、C0805 - サイズ 14。C630 (両方のオプション用) - 高- HS1812 および MURS2 シリーズの高速ダイオードは、同様のもの、LL160 - 逆電圧が少なくとも 4148 V のパルス ダイオードと置き換えることができます。 トランジスタ MMBT50ALT2222、STP1NK5Z PZTA80 も同様のものに置き換えることができます。 最初のバージョンでは、STP42NK5Z (VT80) をより低電圧のもの、たとえば STP2NK5Z に置き換えることができます。 抵抗 R60、R18、R28 は並列に取り付けられておらず、微調整用にボード上に抵抗を配置する場所が用意されています。 デバイスは、蛍光灯の電子安定器から適切なサイズのブリキのケースに取り付けられ、絶縁ガスケットも使用され、ケースに取り付ける前にドライバーボードを包む必要があります。 トランジスタ VT2 は、ネジまたはブラケットを使用してハウジングの金属壁に取り付ける必要があります。 このヒートシンクは 35 ～ 50 W の負荷電力には十分ですが、トランジスタは 50 W を超えて発熱しません。 оC、低電力の場合、ヒートシンクは必要ありません。 金属ケースのないドライバーを 35 W を超える負荷で動作させる場合は、標準の小型ヒートシンクを VT2 トランジスタに取り付ける必要があります。 ドライバー用のケースは曲がりやすいので、例えばコンピューターの電源のケースから絶縁フィルムも適しています。 パワーコレクタを備えたドライバーのバリエーションは合計 3 個製造され (図 50 を参照)、そのうち最初の 12 個はすでに最大負荷 13 W で 12 か月以上正常に動作しています。 デバイスの第 18 バージョンの組み立てられたボードの写真を図に示します。 2834、図。 520 - 負荷を接続した状態（図18の写真では、「スター」フィルターが使用されています）。 負荷には国内メーカー「NEON-EK」のLEDストリップNEO-L-2835R3_XNUMXを使用しました。 各ストリングには XNUMX 個の SEL-WWXNUMX-XNUMXK LED が含まれており、XNUMX 個の LED を直列にした XNUMX つの並列ストリングとして接続されています。
適切に組み立てられたデバイスはすぐに動作を開始するため、調整する必要はありませんが、ドライバーを段階的に実行する方がより効果的かつ安全です。 15 番目の部分から始めましょう。 これを行うには、出力電圧が少なくとも 20 ～ 500 V で、最大 16 mA の電流を供給できる実験用電源が必要です。 コンデンサC3と並列に接続し、トランジスタVT11,6のエミッタに11,8 ... 300 Vの電圧が現れていることを確認し、電流計と負荷をデバイスの出力に接続します。 LEDモジュールを負荷として使用する必要はありません。電流がたとえば3mAになるように、そのような抵抗の強力なワイヤ抵抗器も適しています。 抵抗計またはマルチメータは、抵抗計モードまたは導通モードで U4 フォトカプラのピン 1 および 27 に接続されます。 可変抵抗器 R300 のエンジンは、図に従って低い位置 (最大抵抗の位置) に設定されます。 ここで、抵抗スライダをスムーズに上に動かし、フォトカプラが XNUMX mA の負荷電流 (電流計の読み取り値) で開くことを確認します。 エンジンはほぼ中央にあるはずです。 負荷抵抗を変更することで、さまざまな電流値でのフォトカプラの開度を確認することもできます。 次に、実験室の電源をオフにし、負荷を電流計に接続したままにして、フライバックコンバータのチェックに進みます。 最初に電力補正器がオフになります。VT4 トランジスタと T2 トランスははんだ付けされるか、その一次巻線が閉じられます (図 3 を参照)。 常に白熱灯と別の電流計を介して、ドライバを 230 V ネットワークに接続します。 すべてが正常であれば、負荷電流 300 mA、95 W ランプの場合、消費電流は 210 mA を超えず、ランプは約 27 分の 240 の熱で点灯するはずです。 彼らは、出力電流が 390 ～ 310 mA の全範囲にわたって抵抗 R230 によって調整されると確信しています。 そして最後に、電源補正器を接続します。ランプは少し明るく輝き始めますが、総消費電流は300 mAを超えてはなりません。 もちろん、パワーコレクタをデバイスの他の部分から切り離すことで、個別にチェックすることもできます。 すべてがうまくいった場合は、ランプなしでドライバーをネットワークに直接接続してみることができます。ネットワーク電圧が 140 V、負荷電流が XNUMX mA の場合、デバイスの消費電流は XNUMX mA を超えてはなりません。 たとえば 18 つの 14 W ランプを備えた古い蛍光灯器具が利用可能な場合、それをエネルギー効率の高い LED に簡単に変換できます。 古いランプからは本体のみが必要になり、他のもの（ランプ、スターターなど）はすべて削除されます。 ハウジングの底部には、前述の LED ストリップが 15 つまたは XNUMX つ均等に配置されています。 さらに、適切な場所に穴が開けられ、定規がリベット留めまたはネジ止めされます。 均一な熱放散を確保するために、各定規を XNUMX か所で均等にリベット固定することが望ましいです。 ドライバーはランプの先端側に配置され固定されています。 得られたランプの変形例を図に示します。 XNUMXと図。 XNUMX (「スター」フィルターを使用)。
希望と機会があれば、ポリスチレンまたはポリカーボネート製のディフューザーを取り付けることができます。 ただし、ディフューザーは、もちろん、ランプの美的品質を大幅に向上させますが、光出力を悪化させることは決してないことに留意する必要があります。 したがって、比較的透明なディフューザー「オパール」は光束を 30 ～ 40% 減少させます。 文学
著者：V。ラザレフ
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