Przegląd rozwiązań zasilania diod LED. Mariusz Kaczor, Contrans TI

Transkrypt

1 Przegląd rozwiązań zasilania diod LED Mariusz Kaczor, Contrans TI

2 Typowe aplikacje oświetleniowe Żarówki, świetlówki (retrofit) Lampy zewnętrzne, dużej mocy, hermetyczne Sygnalizacja, znaki podświetlane 2

3 Aplikacja żarówki, świetlówki (retrofit) Główne cechy Typowe obciążanie Przydatne cechy izolacja galwaniczna nie jest konieczna wymaganazwarta (żarówki) lub niska konstrukcja (świetlówki) żarówki i świetlówki dużailość małych LED (mały prąd, wysokie napięcie) Bucklub stabilizator liniowy Zdolność do pracy ze ściemniaczem (żarówki) żarówki mała ilość diod LED 1-3W flyback 3

4 Aplikacja lampy zewnętrzne dużej mocy, hermetyczne Główne cechy Typowe obciążanie Przydatne cechy izolacjagalwaniczna nie jest konieczna dużailość LED o mocy 1-3W BoostPFC + buck/flyback/llc Zdolność do kontroli mocy z dużą dynamiką Moduły LED dużej mocy Boost PFC + flyback/llc 4

5 Aplikacja kontrolki LED, małe znaki świetlne Główne cechy Typowe obciążenie Przydatne cechy izolacja galwaniczna nie jest konieczna Wymagana b. zwarta konstrukcja Mała liczba małych LED (mały prąd, niskie napięcie) Buck lub stabilizator liniowy izolacja galwaniczna nie jest konieczna 5

6 Budżet energetyczny źródeł światła Udział w budżecie energetycznym Tradycyjna żarówka 60W Świetlówka liniowa LED (~9W) Światło widzialne 8% 21% 25-35% Podczerwień 73% 37% - Całkowita zawartość promieniowania Ciepło (przewodzenie i konwekcja) 81% 58% 25-35% 19%11.4W 42% 65-75% 6.3W Temperatura pracy 2500 C Wysoka Niska wpływa korzystnie 6

7 Zagadnienie stałości prądu diody LED 70kHz U ILED 100Hz t Z zasady diody LED nie lubią modulacji prądu pracy (prądu udarowego) Modulacja średniej wartości prądu metodą PWM nie wpływa na kolor/temperaturę barwową, tak jak liniowa regulacja prądu Zmiany prądu mogą następować w takt zmian napięcia sieci energetycznej (tj. 100/120Hz) Zmiany prądu mogą następować w takt pracy impulsowego układu zasilania (np. 70kHz) 7

8 Kłopot ze regulatorami mocy Większość dostępnych na rynku regulatorów (ściemniaczy) bazuje na triaku Zasilacz LED musi zapewnić właściwe warunki pracy dla triaka TRIAC Wall Dimmer Ściemniacz redukuje moc dostarczaną do układu przez odcinanie części przebiegu napięcia/prądu Zasilacz LED musi wygładzić poszatkowany przebieg 8

9 Zasilacze LED architektura buck (obniżająca napięcie) Zalety Prosta aplikacja Przyzwoitasprawność Wady Brak izolacji galwanicznej Relatywnie wysoka składowa zmienna prądu LED(ripple current) (prąd udarowy) 100Hz oraz 70kHz 9

10 Zasilacze LED architektura SEPIC / Ćuk / buck-boost Zalety Relatywnie prosta Dobra sprawność, niski poziom zakłóceń Wady Brak izolacji galwanicznej Nie współpracuje ze ściemniaczem 10

11 Zasilacze LED architektura Flyback (przetwornica zaporowa) Zalety Izolacja galwaniczna Łatwośćkorygowania współczynnika mocy Niski poziom zakłóceń Wady Skomplikowana konstrukcja, potrzebny transformator, często też transoptor Duża składowazmienna prądu LED (100Hz), jeśli współczynnik mocy jest korygowany Relatywnie duży rozmiar 11

12 Zasilacze LED architektura boost (podwyższająca napięcie) Zalety Relatywnie prosta Świetna sprawność energetyczna Dobra wartość współczynnika mocy Wady Brak izolacji galwanicznej Wysokie napięcie pracy II-go stopnia 12

13 Zasilacze LED stopień PFC typu boost + Flyback Zalety Izolowany,wysoka wartość współczynnika mocy Praktycznie wyeliminowany prąd udarowy LED (100Hz) Wady Wymagane 2 stopnie 13

14 Zasilacze LED stopień PFC typu boost + buck Zalety Mocno zredukowana niestałość prądu LED (prąd udarowy 100Hz) Wysoka wartość współczynnika mocy Wady Brak izolacji galwanicznej 14

15 Zasilacze LED stopień PFC typu boost + buck + half-bridge Zalety Zasilanie niezależniekilka łańcuchów LED Wysoka wartość współczynnika mocy Wady Brak izolacji galwanicznej Skomplikowana budowa 15

16 Zasilacze LED sekwencyjny stabilizator liniowy Zalety Nieskomplikowana budowa Kompaktowy Wady Brak izolacji galwanicznej Relatywnie mała sprawność Dobry współczynnik mocy Tel , fax

17 Zasilacze LED stopień PFC boost + stabilizator liniowy Zalety Nieskomplikowana budowa Kompaktowy Dobry współczynnik mocy Wady Brak izolacji galwanicznej Bardzo wysokie napięcie łańcucha LED 17

18 HV9921/22/23/25 - zasilacz buck małej mocy 12 VDC ~ 230 VAC Vin HV9921 zasilanie 8-265V AC (10-400V DC) stały czas wyłączenia klucza - 10,5 us wbudowany klucz MOSFET 500V regulator 20 lub 50mA HV9925 posiada wejście PWM i regulowany prąd klucza 3-nóżkowa obudowa TO-90/SOT- 343 Obudowa SO-8 z radiatorem dla HV9925 Aplikacja bez kondensatorów elektrolitycznych 18

19 HV9921/2/3 - schemat blokowy C DD GND VDD Regulator napięcia DRAIN T OFF =10µs REG REF - + S R Q Q Źródło prądowe HV9921 T BLANK = 300ns R Tranzystor MOSFET z kanałem zubożonym (depletion), inaczej normalnie włączony o charakterystyce jak JFET. MOSFET z kanałem zubożonym Tel , fax

20 20

21 Zasilacz buck kilka obliczeń dla HV9921 Ton/Toff Uin = 325V 50mA ILED ISW Ion 20V Ioff 30% ~ d(uin-uout)/l ~ d(uin-uout)/l Uout 325V Uin U INmax = 325V U OUT = 25V I OUT = 50mA I ripple = 30%*50mA = 15mA Typowy czas wyłączenia T OFF = 10,5μs, minimalny czas włączenia T ONmin = 650ns U = L di/dt klucz wł. klucz wył. - 10,5us 21

22 50mA ILED ISW 2 klucz wł. 30% 1 ~ d(uin-uout)/l ~ d(uin-uout)/l klucz wył. - 10,5us U INmax = 325V T OFF = 25V I OUT = 30mA I ripple = 30%*50mA = 15mA czas wyłączenia T OFF = 10,5μs, 1. Zasada: indukcyjność cewki określamy tak, by prąd I LED spadał w czasie wyłączenia klucza o nie więcej niż 30% (I ripple = 15 ma) L = U OUT * T OFF / I OUT *30% = 25V*10,5uS/15 ma= 17,5mH 2. Weryfikujemy zachowanie układu (minimalny przyrost prądu) w stanie włączenia klucza: disw= (U INmax -U OUT )T OFF /L = 300V*650ns /17,5mH ~11,1mA 3. Dobrze: 11,1mA << 15mA 325V Uin UWAGA! Wzory 22

23 50mA ILED ISW klucz wł. 30% ~ d(uin-uout)/l ~ d(uin-uout)/l klucz wył. - 10,5us 325V Uin U INmax = 325V U OUT = 25V I OUT = 30mA I ripple = 30%*30mA = 9mA czas wyłączenia T OFF = 10,5μs, Minimalne napięcie wyjściowe: U OUTmin =(U INmax -U Out) *T ONmin /T OFF = 300 V * 650ns / 10,5μs ~ 18V Więcej wzorów: UWAGA! Wzory 23

24 HV9821 zasilacz pojedynczej diody LED Wbudowany dodatkowy wstępny regulator napięcia Stopień impulsowy działa z obniżonym napięciem wejściowym Ponieważ: U REG *T ONmin /T OFF << U INmax *T ONmin /T OFF, to U OUTmin << 20V. 24

25 Dlaczego stały czas wyłączenia klucza? Ts Ts Ts Ts Stała częstotliwość, wypełnienie < 0.5 Stała częstotliwość, wypełnienie < 0.5 Toff Toff Stały czas wyłączenia klucza Niestabilność Stały czas wyłączenia klucza czyni układ bardziej przewidywalnym i zapewnia stabilność pracy 25

26 Kontroler PWM HV9910B / HV9910C uniwersalny kontroler PWM zasilacza LED typu buckz regulatorem szczytowej wartości prądu klucza, moc od kilku do >>50W uniwersalne zasilanie 8-400V, do pracy w sieci 230 VAC i aplikacji niskonapięciowych Tryb stałej częstotliwości pracy lub stałego czasu wyłączenia klucza sprawność > 90% wejście regulatora mocy liniowe i PWM obudowa SO-8 lub SO-14 HV9961 bliźniaczy kontroler z regulatorem średniej wartości prądu klucza 26

27 HV9910DB2 przykładowa aplikacja HV9910B/C Uwaga! Filtr wymaga rozbudowy dla spełnienia wymagań EMC 27

28 HV9971/72/73 przetwornica flyback do aplikacji 6-50W Programowalny, stały prąd LED Pracuje w trybie DCM Precyzja regulacji prądu LED -3% LED Pomiar prądu na stronie pierwotnej nie potrzeba transoptora Kontrolowany sygnałem PWM można regulować moc HV9971 uniwersalne zasilanie V AC HV9972 zasilanie V AC HV napięcie zasilania VDC może współpracować ze wstępnym blokiem PFC w trybie boost Obudowa SO-8 28

29 HV9805 dwustopniowy zasilacz diod LED, impulsowo - liniowy Aplikacje Żarówki retrofit, świetlówki, Oprawy oświetleniowo niewspółpracujące ze ściemniaczem Cechy: Prąd LED może być całkowicie wygładzony, co redukuje ich starzenie Całkowita sprawność energetyczna > 90% Nie wymaga transformatora Nie pracuje ze ściemniaczem, brak izolacji galwanicznej 29

30 HV9805 architektura 2-stopniowa Pierwszy stopień Zbudowany jako stopień podwyższający napięcie Dostarcza filtrowane napięcie wolnozmienne V bus (znacząco zredukowana składowa 100Hz, regulator o paśmie ok. 10Hz) reguluje współczynnik mocy Drugi stopień Liniowy regulator prądu LED o szybkim czasie reakcji (pasmo 1kHz) Zabezpiecza przed przepięciami w sieci 30

31 Aplikacja HV9805 filtr regulator współczynnika mocy, stopień podwyższający napięcie Liniowy regulator prądu regulator marginesu napięcia (headroom) 31

32 HV9805 architektura 2-stopniowa Pierwszy stopień Pracuje w układzie kaskody (wbudowany klucz MOSFET steruje zewnętrznym kluczem MOSFET w układzie wspólnej bramki) Reguluje V BUS tak, by zachować wymagany margines napięcia V HDR (headroom) nad V LED (zwykle V LED = 430V dla zasilania 230VAC) V HDR dobiera się, by zbalansować stopień wygładzenia I LED oraz sprawność energetyczną i rozmiar kondensatora elektrolitycznego Drugi stopień Przy odpowiednio dużym V HDR może dostarczać do łańcucha LED całkowicie wygładzony prąd kosztem pogorszenia sprawności

33 Przykładowa aplikacja HV9805 Przykładowa aplikacja Moc 30W przy 230VAC Łańcuch LED 430V, 67mA Kond. elektrolityczny C BUS =33uF Cewka bez odczepu 2.2mH/0.4A Sprawność 90% Współczynnik mocy 0,998, THD = 5% 33

34 CL8800 liniowy sekwencyjny zasilacz LED Cechy: Aplikacje Żarówki retrofit, świetlówki, oprawy oświetleniowe Prosta aplikacja bez użycia kondensatorów i magnetyków Moc do 14W, sprawność do 90% Współczynnik mocy >0.9, THD < 10% Może współpracować ze ściemniaczem przy zastosowaniu dwójnika RC Obudowa QFN40 z radiatorem Tel , fax

35 CL jak to działa? Łańcuch LED o sumarycznym napięciu ok V jest podzielony na odcinki (do 6) W takt zmian napięcia włączane są kolejne odcinki Prąd łańcucha jest regulowany w celu poprawienia współczynnika mocy Wartości prądu poszczególnych stopni ustawiane przy pomocy drabinki rezystorów 35

36 CL narzędzia Supertex CL8800DB96 Contrans TI CONCC8800DB 36

37 Moduł ewaluacyjny UCC28810EVM SIMPLEDrive 1: PFC typu boost 2: regulator prądu typu buck 3: stopień z półmostkiem rezonansowym i wielokrotnym transformatorem Zasilacz wielowyjściowy do zasilania kilku łańcuchów LED 37

38 Adels Contact złącza dla techniki oświetleniowej 38 38

39 AdelsContact-terminaLED do szeregowego łączenia reflektorów LED Montaż bez użycia narzędzi estetyczny wygląd jednoznaczne etykiety maks. 6A i 48V 39

40 SMDflat345 Raster 4mm, 1-polowe, maks. 600V 2-polowe, maks. 250V, 0,2-0,75 mm 2 maks. 9A Zakres temperatur C. 40

41 Adels Contact złącza do opraw oświetleniowych LK980 złącza do balastów i opraw LCS45 złącza hermetyczne Złącza z oprawką bezpiecznika 5x20 Śrubowe złącza porcelanowe i steatytowe 41

42 Adels Contact system AC166 System złączy i gotowych przewodów do szybkiej budowy instalacji tymczasowych elektrycznych na stoiskach wystawienniczych, w biurach itp. 3-,4-,5-,6-polowe wykonania Wyposażone w klucze mechaniczne i kodowanie kolorem 42

43 Kilka faktów Zajmujemy się dystrybucją podzespołów elektronicznych Prowadzimy sprzedaż online Usługa sprzedaży online Contrans PRESTO kierowana jest m.in. do klientów indywidualnych kupuj online! 43

44 Ferroxcube rdzenie ferrytowe przetwarzanie mocy ochrona przeciwzakłóceniowa filtracja sygnałów technika radiowa Tel , fax

45 Złącza i obudowy dla automatyki obudowy na szynę złącza THT i SMT, sygnałowe i systemowe do szaf płyty bazowe (backplanes) 45

46 Złącza przemysłowe złącza skręcane i zaciskane obudowy z tworzyw sztucznych i metalowe hermetyczne, kodowane kolorem naścienne, na kabel przepusty i prowadnice do kabli Tel , fax contrans@contrans.pl, 46

47 Witryna Menu nawigacyjne Oferta Contrans PRESTO Artykuły tematyczne (mikrokontrolery, narzędzia, aplikacje zasilania diod LED, podręczniki) 47

48 Dziękujemy za uwagę Dziękujemy za uwagę Odwiedź: Tel , fax