Transformatorlose LED-Treiberschaltung für zuverlässige, kostengünstige LED-Lampendesigns

LED-Lampen sollen 80% effizienter sein als andere herkömmliche Beleuchtungsoptionen wie Leuchtstofflampen und Glühlampen. Die schnelle Anpassung von LED-Lampen macht sich bereits bei uns bemerkbar und der weltweite Marktwert für LED-Lampen hat 2018 einen Wert von rund 5,4 Milliarden US-Dollar erreicht. Eine Herausforderung bei der Entwicklung dieser LED-Lampen besteht darin, dass LED-Licht, wie wir wissen, mit Gleichspannung und Netz funktioniert Die Stromversorgung erfolgt über Wechselstrom. Daher müssen wir eine LED-Treiberschaltung entwerfen, die die Netzwechselspannung in einen geeigneten Gleichspannungspegel umwandeln kann, der für die LED-Lampe erforderlich ist. In diesem Artikel werden wir eine solche praktische, kostengünstige LED-Treiberschaltung unter Verwendung eines LNK302-Schalt-IC entwerfen, um vier LEDs (in Reihe) mit Strom zu versorgen, die 200 Lumen liefern können, die bei 13,6 V betrieben werden und etwa 100-150 mA verbrauchen.

Warnung: Bevor wir fortfahren, ist es sehr wichtig, dass Sie mit äußerster Vorsicht am Netz arbeiten. Die hier bereitgestellte Schaltung und Details wurden von Experten getestet und gehandhabt. Pannen können zu ernsthaften Schäden führen und auch tödlich sein. Arbeiten Sie auf eigenes Risiko. Du wurdest gewarnt.

Transformatorlose Stromversorgungsschaltung

Eine sehr grobe LED-Treiberschaltung kann mit der Capacitor Dropper-Methode aufgebaut werden, genau wie wir es in unserem vorherigen Transformerless-Stromversorgungsprojekt getan haben. Während diese Schaltungen immer noch in einigen sehr billigen elektronischen Produkten verwendet werden, weist sie viele Nachteile auf, die wir später diskutieren werden. Daher werden wir in diesem Tutorial nicht die Capacitor Dropper-Methode verwenden, sondern eine zuverlässige LED-Treiberschaltung unter Verwendung eines Schalt-ICs erstellen.

Nachteil des transfromerlosen Stromversorgungskreises mit Kondensatortropfen

Diese Art von transformatorlosem Stromversorgungskreis ist aufgrund der geringen Anzahl von Komponenten und des Fehlens von Magneten (Transformator) billiger als ein Standard-Schaltnetzteil. Es wird eine Kondensatortropfschaltung verwendet, die die Reaktanz eines Kondensators verwendet, um die Eingangsspannung abzusenken.

Obwohl sich diese Art von transformatorlosen Konstruktionen in bestimmten Fällen als sehr nützlich erweist, in denen die Produktionskosten eines bestimmten Produkts niedriger sein müssen, bietet die Konstruktion keine galvanische Trennung vom Wechselstromnetz und sollte daher nur in Produkten verwendet werden, die nicht in direkten Kontakt kommen mit Menschen. Zum Beispiel kann es in LED-Hochleistungsleuchten verwendet werden, bei denen das Gehäuse aus Hartplastik besteht und nach der Installation kein Schaltungsteil für die Interaktion des Benutzers freigelegt wird. Das Problem bei diesen Schaltkreistypen besteht darin, dass ein Ausfall des Netzteils die hohe Eingangswechselspannung am Ausgang widerspiegeln kann und zu einer Todesfalle werden kann.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese Schaltungen auf eine niedrige Nennstromstärke beschränkt sind. Dies liegt daran, dass der Ausgangsstrom vom Wert des verwendeten Kondensators abhängt. Für eine höhere Nennstromstärke muss ein sehr großer Kondensator verwendet werden. Dies ist ein Problem, da sperrige Kondensatoren auch den Platinenraum vergrößern und die Produktionskosten erhöhen. Außerdem hat die Schaltung keine Schutzschaltung, wie z. B. Kurzschlussschutz am Ausgang, Überstromschutz, Wärmeschutz usw. Wenn sie hinzugefügt werden müssen, erhöht dies auch die Kosten und die Komplexität. Selbst wenn alles gut gemacht ist, sind sie nicht zuverlässig.

Die Frage ist also, gibt es eine Lösung, die billiger, effizienter, einfacher und kleiner sein kann, zusammen mit allen Schutzschaltungen, um eine nicht isolierte AC / DC-Hochleistungs-LED-Treiberschaltung herzustellen? Die Antwort lautet ja und genau das werden wir in diesem Tutorial bauen.

Auswahl der richtigen LED für Ihre LED-Lampe

Der erste Schritt beim Entwurf einer LED-Lampentreiberschaltung besteht in der Entscheidung über die Last, dh die LED, die wir in unseren Lampen verwenden werden. Die in diesem Projekt verwendeten sind unten aufgeführt.

Bei den LEDs im obigen Streifen handelt es sich um 5730- Gehäuse mit 0,5 Watt kühlweißen LEDs mit einem Lichtstrom von 57 lm. Die Durchlassspannung beträgt mindestens 3,2 V bis maximal 3,6 V bei einem Durchlassstrom von 120 bis 150 mA. Um 200 Lumen Licht zu erzeugen, können daher 4 LEDs in Reihe verwendet werden. Die erforderliche Spannung dieses Streifens beträgt 3,4 x 4 = 13,6 V, und der Strom von 100 bis 120 mA fließt durch jede LED.

Hier ist das Schema der LEDs in Reihe -

LNK304 - LED-Treiber-IC

Der für diese Anwendung ausgewählte Treiber-IC ist LNK304. Es kann die erforderliche Last für diese Anwendung zusammen mit automatischem Neustart, Kurzschluss und Wärmeschutz erfolgreich bereitstellen. Die Funktionen sind im folgenden Bild zu sehen -

Auswahl der anderen Komponenten

Die Auswahl anderer Komponenten hängt vom ausgewählten Treiber-IC ab. In unserem Fall, dem Datenblatt, verwendet das Referenzdesign einen Halbwellengleichrichter mit zwei Standardwiederherstellungsdioden. In dieser Anwendung haben wir jedoch die Diodenbrücke für die Vollweggleichrichtung verwendet. Dies kann die Produktionskosten erhöhen, aber letztendlich sind die Konstruktionskompromisse auch für die ordnungsgemäße Leistungsabgabe über die Last von Bedeutung. Das schematische Diagramm ohne Werte ist im folgenden Bild zu sehen. Lassen Sie uns nun diskutieren, wie die Werte ausgewählt werden

So ist die Diodenbrücke ist BR1 ausgewählt DB107 für diese Anwendung. Für diese Anwendung kann jedoch auch eine 500-mA-Diodenbrücke ausgewählt werden. Nach der Diodenbrücke wird ein Pi-Filter verwendet, bei dem zwei Elektrolytkondensatoren zusammen mit einer Induktivität benötigt werden. Dies korrigiert den Gleichstrom und verringert auch die EMI. Die für diese Anwendung ausgewählten Kondensatorwerte sind 10 uF 400 V Elektrolytkondensatoren. Die Werte müssen höher als die 2,2 uF 400 V sein. Zur Kostenoptimierung können 4,7 uF bis 6,8 uF die beste Wahl sein.

Für den Induktor werden mehr als 560 uH mit 1,5 A der Nennstromstärke empfohlen. Daher werden C1 und C2 als 10uF 400V und L1 als 680uH und eine 1,5A DB107-Diodenbrücke für DB1 ausgewählt.

Der gleichgerichtete Gleichstrom wird in den Treiber-IC LNK304 eingespeist. Der Bypass-Pin muss über einen Kondensator mit 0,1 uF und 50 V mit der Quelle verbunden sein. Daher ist C3 ein 0,1 uF 50 V Keramikkondensator. D1 wird benötigt, um eine ultraschnelle Diode mit einer Rücklaufzeit von 75 ns zu sein. Es ist als UF4007 ausgewählt.

FB ist der Rückkopplungsstift und die Widerstände R1 und R2 werden zur Bestimmung der Ausgangsspannung verwendet. Die Referenzspannung am FB-Pin beträgt 1,635 V, der IC schaltet die Ausgangsspannung, bis er diese Referenzspannung an seinem Rückkopplungs-Pin erhält. Daher kann unter Verwendung eines einfachen Spannungsteilerrechners der Widerstandswert ausgewählt werden. Also, für immer 13.6V als Ausgang wird der Widerstandswert auf der Grundlage der folgenden Formel

Vout = (Quellenspannung x R2) / (R1 + R2)

In unserem Fall beträgt Vout 1,635 V, die Quellenspannung 13,6 V. Wir haben den R2-Wert als 2.05k ausgewählt. Der R1 ist also 15k. Alternativ können Sie diese Formel verwenden, um auch die Quellenspannung zu berechnen. Der Kondensator C4 wird als 10 uF 50 V ausgewählt. D2 ist eine Standardgleichrichterdiode 1N4007. Der L2 ist der gleiche wie der L1, aber der Strom kann geringer sein. L2 ist auch 680uH mit 1,5A Bewertung.

Der Ausgangsfilterkondensator C5 wird als 100 uF 25 V ausgewählt. R3 ist eine Mindestlast, die zu Regelungszwecken verwendet wird. Für die Nulllastregelung wird der Wert als 2,4 k gewählt. Das aktualisierte Schema mit allen Werten ist unten dargestellt.

Funktionsweise der transformatorlosen LED-Treiberschaltung

Die gesamte Schaltung arbeitet in der MDCM- Induktorschalttopologie (Mostly Discontinuous Conduction Mode). Die Wechselstrom-Gleichstrom-Umwandlung erfolgt über die Diodenbrücke und das Pi-Filter. Nach Erhalt des gleichgerichteten Gleichstroms wird die Leistungsverarbeitungsstufe von LNK304 und D1, L2 und C5 durchgeführt. Der Spannungsabfall an D1 und D2 ist nahezu gleich, der Kondensator C3 prüft die Ausgangsspannung und wird je nach Spannung am Kondensator C3 vom LNK304 über den Spannungsteiler erfasst und der Schaltausgang über die Source-Pins geregelt.

Aufbau der LED-Treiberschaltung

Alle für den Aufbau der Schaltung erforderlichen Komponenten mit Ausnahme der Induktivitäten. Daher müssen wir unseren eigenen Induktor mit emailliertem Kupferdraht wickeln. Jetzt gibt es einen mathematischen Ansatz, um die Art des Kerns, die Dicke des Drahtes, die Anzahl der Windungen usw. zu berechnen. Der Einfachheit halber werden wir jedoch nur einige Windungen mit der verfügbaren Spule und dem Kupferdraht machen und mit einem LCR-Messgerät prüfen, ob wir erreicht haben der erforderliche Wert. Da unser Projekt nicht sehr empfindlich auf den Induktorwert reagiert und die Stromstärke niedrig ist, funktioniert dieser grobe Weg einwandfrei. Wenn Sie kein LCR-Messgerät haben, können Sie den Wert des Induktors auch mit einem Oszilloskop mithilfe der Resonanzfrequenzmethode messen.

Das obige Bild zeigt, dass die Induktivitäten überprüft werden und der Wert mehr als 800 uH beträgt. Es wird für L1 und L2 verwendet. Eine einfache kupferkaschierte Platine ist auch für LEDs vorgesehen. Die Schaltung ist in einem Steckbrett aufgebaut.

Testen der LED-Treiberschaltung

Die Schaltung wird zuerst mit einem VARIAC (variabler Transformator) getestet und dann auf eine universelle Eingangsspannung von 110 V / 220 V Wechselspannung geprüft. Das Multimeter links ist über den Wechselstromeingang und ein weiteres Multimeter rechts über eine einzelne LED angeschlossen, um die Ausgangsgleichspannung zu überprüfen.

Der Messwert wird in drei verschiedenen Eingangsspannungen gemessen. Die erste auf der linken Seite zeigt eine Eingangsspannung von 85 VAC und an einer einzelnen LED 3,51 V, während sich die LED-Spannung an verschiedenen Eingangsspannungen geringfügig ändert. Das ausführliche Arbeitsvideo finden Sie unten.