CC BY
223
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. Машиностроение
УДК 628.9
В.Е. Драч, А.Е. Корчикова
ДРАЧ ВЛАДИМИР ЕВГЕНЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и производства электронной аппаратуры (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал, Калуга). Баженова ул., 2, Калуга, 248о0о. E-mail: drach@bmstu-kaluga.ru
КОРЧИКОВА АНАСТАСИЯ ЕВГЕНЬЕВНА - студентка магистратуры факультета электроники, информатики и управления (Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, Калужский филиал, Калуга). Баженова ул., 2, Калуга, 248000. E-mail: korchickowa@yandex.ru
Повышение уровня стабилизации драйвера светодиодов
За последнее десятилетие в технологиях освещения произошли существенные изменения: твердотельные источники света, или светодиоды, прочно заняли свое место в секторе монохромного освещения. Они нашли применение в автомобильных тормозных фонарях, светофорах, дорожных знаках, а также для освещения жилых помещений и офисов. Важнейшим узлом светодиодного осветительного прибора являются драйверы, с помощью которых обеспечиваются качественные характеристики светильника в течение всего срока эксплуатации. В данной работе предлагается новое авторское схемотехническое решение драйвера с повышенным уровнем стабилизации. Приводятся результаты моделирования, позволяющие прогнозировать снижение пульсации выходного напряжения драйвера до величины в 2%.
Ключевые слова: светодиод, драйвер, контроллер, стабилизация.
Введение
В последние десятилетия технология изготовления твердотельных источников света претерпела существенные изменения. Наличие белого цвета в диапазоне доступных цветов дало возможность применять светодиоды в качестве источника света, а появление новых материалов позволило спроектировать и наладить производство светодиодов высокой яркости, излучающих в широком диапазоне цветов. На данный момент все твердотельные источники света можно разделить на две группы в зависимости от используемых при производстве полупроводниковых материалов: на базе структур AlInGaP изготавливают светодиоды высокой яркости красного, оранжевого, желтого и зеленого цветов, а на базе структур InGaN - синего, бирюзового, зеленого и белого (однако для получения белого цвета требуется дополнительно использовать желтый люминофор).
Для обеспечения питания и ограничения величины прямого тока светодиода требуется специальный источник, называемый драйвер [2-5]. Драйвер - это устройство, контролирующее мощность либо одного светодиода, либо последовательно соединенных линеек светодиодов. При изменении параметров нагрузки (например, температуры) драйвер обеспечивает стабилизацию мощности. Драйверы являются базовым узлом светодиодного осветительного прибора и фактически обеспечивают качественные характеристики светильника в течение всего срока эксплуатации. При проектировании разработчик должен грамотно выбрать контроллер и построить схему питания с учетом целого ряда требований, зачастую противоречащих друг другу.
© Драч В.Е., Корчикова А.Е., 2016
В качестве ключевых требований к источникам питания светодиодов можно назвать следующие: компактность, высокий КПД, высокая надежность, наличие коррекции коэффициента мощности и (в некоторых случаях) - наличие гальванической развязки [7].
Драйверы для питания светодиодов проектируются на базе контроллера. Контроллер - это выпускаемая серийно микросхема управления, требующая для функционирования использование периферийных элементов. Например, в настоящее время широкое распространение получила микросхема HV9910B фирмы Supertex Inc., позволяющая стабилизировать ток (до 1 А) светодиодов высокой яркости и имеющая внутренний линейный регулятор от 8 до 450 В. Выбор HV9910B позволяет получить бюджетное и простое управление током светодиодной нагрузки, однако зачастую не удается достичь приемлемого уровня стабилизации тока и избежать зависимости тока нагрузки от входного и выходного напряжения. Как правило, разброс уровня стабилизации тока светодио-дов составляет 25%, что приводит к изменению яркости свечения. Описанные трудности обусловлены разницей между пиковым и средним значениями тока, зависящей от величины пульсации тока индуктора и задержки срабатывания компаратора обратной связи (рис. 1).
Рис. 1. Ошибка усредненного тока, возникающая при управлении по пиковому току (для микросхемы
HV9910B) [3].
Применение любого стабилизатора пикового тока (включая HV9910B) приведет к появлению ошибки усредненного тока AIl(err), поскольку микросхема фактически управляет пиковым током катушки индуктивности Il(pk), в то время как реальная задача состоит в управлении постоянным током светодиодов AIl(avg). Разница между двумя указанными токами будет соответствовать амплитуде тока пульсаций 0,5AIL, которая может быть выражена следующей формулой [3]: 0,5AIl= (Vow/2L,
где V0 - питающее напряжение на светодиодах, tOFF - продолжительность выключенного состояния выхода GATE, a L - величина индуктивности. Необходимо подчеркнуть факт, что все параметры в правой части формулы могут иметь технологический разброс и зависеть от рабочей температуры.
Еще один источник ошибки, допускаемой схемой управления по пиковому току, связан с задержкой распространения компаратора AtCS, ввиду чего реальный пиковый ток IL(PK) превышает пороговый опорный сигнал компаратора IL(CS). Ошибка усредненного тока может быть выражена следующей формулой:
A/l = (VQt0FF - 2VINAtcs)/2L,
где Vin - напряжение входного источника питания. Формула показывает, что усредненный ток катушки индуктивности Il(avg) зависит от входного напряжения VIN и выходного напряжения V0. Напряжение смещения VOS на входе CS дополнительно вносит разброс тока светодиода. Напряжение смещения составляет всего ±25 мВ в широком диапазоне рабочих температур, однако его вклад в сигнал пикового тока приводит к разбросу тока светодиодов ±10% даже при максимальном пороге срабатывания CS-компаратора в 250 мВ [3].
Решение задачи
Перед нами была поставлена задача усовершенствования выпускаемого драйвера светодиодного светильника на базе современного модельного ряда компании Supertex Inc. Цель статьи -разработка нового схемотехнического решения, позволяющего реализовать драйвер светодиода с повышенной точностью регулирования.
Для решения поставленной задачи наиболее целесообразным можно считать переход к управлению по усредненному току. Было принято решение в качестве основы применить микросхему HV9961, использующую управление усредненным током катушки индуктивности Il(avg), достигая при этом точности регулировки ±3% в широком диапазоне скважности сигнала GATE. В микросхему также включена схема автоматической калибровки входа CS, позволяющая устранить влияние входного напряжения смещения и задержки распространения. Ниже приведена основанная на фирменной документации [6] сводная табл. 1 основных отличий микросхем HV9961 от микросхемы предыдущего поколения HV9910B.
Таблица 1
Основные характеристики контроллеров Supertex Inc.
Функционал НУ9910В НУ9961
Точность измерения выходного тока ±10% ±3%
Выходной ток при VLD=0 5% 0
Рабочий диапазон регулирования при линейном диммировании 0.0,25 В 0,20(0,15). 1,50 В
Порог срабатывания токового компаратора при КЗ на нагрузке Нет 440 мВ
Время запрета преобразования при КЗ на нагрузке Нет 400 мкс
Минимальное время, 465 нс 1000 нс
Максимальный рабочий цикл 0,5 0,75
Порог срабатывания токового компаратора 250 мВ или VLD 272 мВ или VLD/5.5
Зависимость тока нагрузки от параметров схемы Зависит от индуктивности дросселя и изменения рабочей частоты Не зависит от индуктивности дросселя или от изменения рабочей частоты
Точность поддержания тока нагрузки Неудовлетворительная: ток через нагрузку зависит от входного и выходного напряжений Хорошая
В результате выполнения работы было предложено устройство, основные технические характеристики которого представлены в табл. 2.
Таблица 2
Технические характеристики разрабатываемого устройства
Характеристики, единицы измерения Значение
Входное переменное напряжение, В 120...250
Выходной ток, мА 650
Стабильность выходного тока во всем интервале напряжения питающей сети, не более, % 2
Максимальное выходное напряжение, В 110
Коэффициент пульсаций светового потока, не более, % 1,5
Основные преимущества данной схемы следующие:
• напряжение на ключе не превышает напряжения питания;
• отсутствие сквозных токов;
• простота системы управления;
• применение доступных радиоэлементов;
• высокий показатель надежности.
Предложенная схема функционирует следующим образом. Драйвер представляет собой импульсный преобразователь напряжения, интегрирующим элементом которого выступает дроссель. Задачей драйвера является коммутация светодиодного модуля с сетью переменного тока. Для предотвращения поражения пользователя электрическим током и для защиты элементов схемы предусмотрена гальваническая развязка выходных цепей. Предлагается реализовать развязку по постоянному току и токам промышленной частоты при помощи разделительных конденсаторов. Разделительные индуктивности выполняют функцию развязки для токов собственных частот. Дополнительной функцией разделительных конденсаторов является перенос энергии от ключевого каскада на выход прибора. При помощи разделительных конденсаторов энергия отбирается с выходного каскада. Емкости этих конденсаторов выбираются в диапазоне единиц или десятков нанофарад, что в результате позволяет получить высокое сопротивление для токов промышленной частоты, достаточное для защиты выходной цепи от указанных токов. Разделительные индуктивности и индуктивности входного фильтра предназначены для развязки токов собственных частот импульсного преобразователя. Величина индуктивности входного фильтра выбирается с таким расчетом, чтобы ее сопротивление на рабочей частоте для импульсного тока было бы достаточно высоким, тогда даже непосредственное замыкание выходной цепи с промышленной сетью приведет к возникновению незначительного аварийного тока. Частота импульсного преобразователя будет определяться значениями периферийных элементов (резисторов и конденсатора). Конденсаторы, применяемые в схеме, должны иметь малые потери на высоких частотах. Желательно применение электролитических конденсаторов класса Low-ESR, в идеальном случае эквивалентное последовательное сопротивление электролитических конденсаторов на рабочей частоте не должно превышать 0,001 Ом.
Схемотехническое моделирование
Схемотехническое моделирование было реализовано в среде моделирования QUCS [1], что позволило еще до этапа изготовления макета не только получить временные зависимости токов и напряжений, но и оценить уровень стабилизации.
В результате проведенной параметрической оптимизации были выбраны следующие оптимальные значения элементов схемы электрической принципиальной (рис. 2):
• транзисторы: IRFBC30PBF, BC847C,
• термистор SCK102,
• стабилитрон BZV55C15V,
• конденсаторы: X1-MEX 104-300VAC P15 0,1 мкФ, 1206-X7R-50B-2,2 мкФ ± 10%,
• конденсаторы электролитические: CD264-450 B-10 мкФ 105°С, CD264-450 B-22 мкФ 105 °С,
• дроссели: PLA10AN3030R4R2B, SL1016-682 6,8 мГн,
• диодный мост DB107S,
• диод BYV26C,
• резисторы: CR-1206-330 кОм ± 5%, CR-1206-510 кОм ± 5%, CR-1206-330 кОм ± 5%, CR-1206-1,1 Ом ± 1%, CR-1206-1 МОм ± 5%, CR-1206-1,4 кОм ± 1%, CR-1206-30 Ом ± 1%, CR-1206-1 МОм ± 5%,
• варистор FNR- 10K431.
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема светодиодного драйвера.
Для оценки токов и напряжений в установившемся режиме получены временные диаграммы, представленные на рис. 3. При моделировании использован эквивалент максимальной нагрузки для данного устройства.
Рис. 3. Временные диаграммы токов и напряжений.
Как показывают совмещенные временные диаграммы для выходных токов и напряжений (см. рис. 3), при работе на максимальную нагрузку уровень значений выходных сигналов устройства не выходит за пределы двухпроцентной дельта-трубки. Зависимость тока нагрузки от входного и выходного напряжения не выявлена во всем диапазоне допустимых напряжений.
Результаты моделирования показали, что теоретические и экспериментальные формы токов и напряжений полностью совпадают, пульсации выходного напряжения не превышают заданной величины (2%), нежелательные перенапряжения отсутствуют. Таким образом, рассматриваемый драйвер может быть использован в качестве второй ступени в источнике питания для мощных све-тодиодов, удовлетворяя заданным требованиям.
Выводы
Разработанный драйвер может быть применен в составе светильников промышленного и бытового назначения в помещениях и на открытом воздухе, в том числе для уличного освещения.
Макет спроектированного устройства успешно изготовлен на предприятии АО «Калужский электромеханический завод» [2]. Предварительные испытания макета показали полное соответствие выходных характеристик результатам выполненного моделирования. Предложенное схемотехническое решение может быть внедрено в производство после разработки полного пакета кон-структорско-технологической документации. В результате выполнения работы предложено новое схемотехническое решение, которое позволяет получить высокие показатели надежности и эффективности при малых экономических затратах, минимальной трудоемкости изготовления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кечиев Л.Н., Крючков Н.М., Кузнецов В.В. Симулятор QUCS: основные возможности // Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий. 2015. Т. 1. С. 398-400.
2. Корчикова А.Е., Драч В.Е. Проектирование драйвера светодиодов высокой яркости // Инновационная наука. 2015. № 11-2. С. 69-72.
3. Краснополянский Л., Медник А. Взаимозаменяемость и функциональные различия между импульсными драйверами светодиодов HV9910B и HV9961 производства Supertex Inc. // Полупроводниковая светотехника. 2009. № 1. С. 26-29.
4. Пескин А. Обзор схем включения и управления современными светодиодами // Полупроводниковая светотехника. 2010. № 3. С. 22-24.
5. Савельев А.В. Драйвер фирмы Recom International Power для светодиодов // Промышленные АСУ и контроллеры. 2008. № 2. С. 56-57.
6. HV9961 Datasheet - LED Driver with Average-Mode Constant Current Control. Supertex Inc., 2010.
7. Rice J. Protect an LED driver against output shorts to ground. LEDs Magazine. 2015;76:69.
THIS ARTICLE IN ENGLISH SEE NEXT PAGE
Mechanical Engineering
Drach V., Korchikova A.
VLADIMIR E. DRACH, Assistant Professor, Chair of Electronic Devices Design and Manufacturing, e-mail: drach@bmstu-kaluga.ru
ANASTASIYA E. KORCHIKOVA, Undergraduate, Faculty of Electronics, Informatics and Control, e-mail: korchickowa@yandex.ru
Bauman Moscow State Technical University (Kaluga Branch). 2 Bazhenov, Kaluga, Russia, 248000 The improvement of the stabilisation level of LED driver
In the past few decades, great progress has been made in lighting technologies: solid-state light sources, or semiconductor light-emitting diodes (LEDs), have firmly established themselves in monochrome luminescence: auto car brake lights, traffic lights, road signs as well as living quarters and offices. The most important unit of LED lighting device is a driver which actually provides the qualitative characteristics of the lamp through its entire lifetime. The article presents a scheme of the author's new engineering solution for a driver with a higher level of stabilisation. It contains the results of modelling which enables one to forecast the reduction of the pulsation of output voltage down to two per cent. Key words: LED, driver, controller, stabilisation.
REFERENCES
1. Kechiev L.N., Kryuchkov N.M., Kuznetsov V.V. QUCS simulator: main features. Innovations based on information and communication technologies. 2015(1):398-400. (in Russ.). [Kechiev L.N., Kryuchkov N.M., Kuznetsov V.V. Simulyator QUCS: osnovnye vozmozhnosti // Innovatsii na osnove informatsionnyh i kommunikatsionnyh tehnologij. 2015. T. 1. S. 398-400].
2. Korchikova A.E., Drach V.E. High-brightness LED driver design. Innovative science. 2015;11-2:69-72. (in Russ.). [Korchikova A.E., Drach V.E. Proektirovanie draivera svetodiodov vysokoj yarkosti // Innovatsionnaya nauka. 2015. № 11-2. S. 69-72].
3. Krasnopolyansky L., Mednik A. Interchangeability and functional differences between pulsed LED drivers of HV9910B and HV9961 by Supertex Inc. Semiconductor lighting. 2009;1:26-29. (in Russ.). [Krasnopolyansky L., Mednik A. Vzaimozamenyaemost' i funktsional'nye razlichiya mezhdu impul'snymi draiverami svetodiodov HV9910B i HV9961 proizvodstva Supertex Inc. // Poluprovodnikovaya svetotehnika. 2009. № 1. S. 26-29].
4. Peskin A. Overview of application and control schematics of modern LEDs. Semiconductor lighting. 2010;3:22-24. (in Russ.). [Peskin A. Obzor shem vklyucheniya i upravleniya sovremennymi svetodiodami // Poluprovodnikovaya svetotehnika. 2010. № 3. S. 22-24].
5. Savel'ev A.V. Recom International Power driver for LEDs. Industrial CS and controllers. 2008; 2:56-57. (in Russ.). [Savel'ev A.V. Draiver firmy Recom International Power dlya svetodiodov // Promyshlennye ASU i kontrollery. 2008. N 2. S. 56-57].
6. HV9961 Datasheet - LED Driver with Average-Mode Constant Current Control. Supertex Inc., 2010.
7. Rice J. Protect an LED driver against output shorts to ground. LEDs Magazine. 2015;76:69.
