Светодиодная лампа с ИИП — стабилизатором тока
С. КОСЕНКО, г. Воронеж
В настоящее время в светотехнике вместо ламп накаливания и люминесцентных ламп все чаще применяют светодиоды благодаря их замечательным свойствам — энергоэффективности и долговечности. В основном выпускаемые промышленностью светодиодные лампы и фонари можно разделить на две группы. Светильники первой группы рассчитаны на питание от источников постоянного напряжения с низким внутренним сопротивлением, в частности, от гальванических или аккумуляторных батарей. Светильники второй группы получают питание от простейших сетевых блоков питания с балластным конденсатором.
Вольт-амперная характеристика светодиода существенно нелинейна, поэтому его, как и обычный диод, нельзя непосредственно подключать к источнику постоянного напряжения. На токоограничительных резисторах бесполезно расходуется энергия источника питания, что является принципиальным недостатком светильников первой группы. Другой недостаток — ток через светодиоды, а значит, и яркость их свечения зависят от их температуры, что особенно заметно при установлении теплового режима после включения. В светильниках второй группы через светодиоды могут протекать опасные импульсы тока в момент включения и под воздействием импульсных помех, которые могут вывести их из строя задолго до истечения гарантированного срока службы. Общий недостаток светильников обеих групп — зависимость яркости свечения от напряжения питания.
Предлагаемое устройство не имеет ни одного из перечисленных недостатков. ИИП — стабилизатор тока обеспечивает устойчивую яркость свечения, долговечное и эффективное функционирование светодиодной лампы.
В статье [1] описан импульсный преобразователь на ШИ-контроллере VIPer22A для питания 17 светодиодов с потребляемым током 20 мА каждый. При этом однотипные светодиоды подключены последовательно к источнику
стабилизированного напряжения через токоограничивающий резистор, поэтому рабочий ток стабилизируется лишь через несколько минут после включения. Несмотря на потребляемую мощность менее 3 Вт, яркость лампы оказалась достаточной для освещения лестничной площадки у входной двери квартиры, где лампа круглосуточно работает и поныне. А для освещения рабочего
места у компьютера было решено изготовить более яркий источник с ИИП — стабилизатором тока, который не требует налаживания, не содержит никаких токоограничивающих резисторов и обеспечивает постоянную яркость лампы с момента ее включения независимо от переходных тепловых процессов.
Из всего многообразия реализуемых на рынке мощных светодиодов выбран ASMT-MW22 [2] из следующих соображений: большой световой поток — 145 лм; встроенный в светодиод симметричный стабилитрон, защищающий прибор от повреждения при завышенном напряжении питания и переполюсовке; доступность приобретения в торговой сети и через Интернет у различных поставщиков с возможностью выбора приемлемой цены и сроков доставки; наличие теплоотводящего фланца, облегчающего изготовление лампы с произвольным числом светодиодов без специального технологического оборудования. В предлагаемой
конструкции применены три светодиода, суммарная сила света которых примерно соответствует лампе накаливания мощностью 60 Вт.
Большинство производителей светодиодов утверждают, что их энергоэффективность в 10—12 раз выше, чем у ламп накаливания. При токе 0,6 А потребляемая рассматриваемой светодиодной лампой мощность составляет примерно 7,5 Вт. Световой поток такой лампы должен быть эквивалентен аналогичному параметру лампы накаливания мощностью 75 Вт. Но поскольку телесный угол излучения в два раза меньше (лампа накаливания излучает свет вкруговую, а светодиодная — только в одной полусфере), визуально яркость лампы из трех светодиодов даже выше, чем 100 Вт лампы накаливания, и при прямом "невооруженном взгляде" на светодиодную лампу она "слепит" глаза.
Поскольку долговечность светодиода определяется его тепловым режимом и стабильностью рабочего тока, при конструировании лампы особое внимание было уделено этим аспектам. В результате получено устройство, схема которого показана на рис. 1.
 
Как и в предыдущем устройстве [1], в новом импульсном преобразователе сетевого напряжения также использован ШИ-контроллер на микросхеме DA1 VIPer22A Но для контроля и стабилизации рабочего тока через мощные светодиоды EL1—EL3 вторичные цепи преобразователя дополнены специализированной микросхемой TSM1052 (DA2) — стабилизатором напряжения и тока [3].
Датчик тока нагрузки — резистор R5 — подключен к микросхеме DA2 так, что напряжение на ее входе Ictrl (вывод 4) имеет отрицательную полярность относительно ее общего провода GND (вывод 2). Микросхема DA2 поддерживает ток нагрузки таким, чтобы падение напряжения на резисторе R5 в установившемся режиме составляло 0,2 В. Для выбранного сопротивления R5 0,33 Ома стабилизируемый ток равен 0,2/0,33=0,6 А. Увеличение этого тока вызывает уменьшение напряжения на выходе OUT (вывод 3) микросхемы DA2, при этом увеличивающийся ток через излучающий диод U1.2 вызывает уменьшение эквивалентного сопротивления фототранзистора U1.1 и увеличение втекающего тока по выводу обратной связи FB микросхемы DA1. Это повлечет уменьшение длительности коммутирующего импульса в микросхеме и уменьшение выходного напряжения преобразователя и, соответственно, тока светодиодной нагрузки. Аналогично происходит увеличение выходного напряжения преобразователя при снижении тока в светодиодах. Устойчивость регулирования тока обеспечивает RC-цепь R7C12.
Выбранный ток через светодиоды 0,6 А вызывает суммарное падение напряжения на них 12 В. В случае нарушения контакта в нагрузке или перегорания одного из светодиодов выходное напряжение преобразователя необходимо ограничить значением 13,5 В.
Для этого напряжение с резистивно-го делителя выходного напряжения R10R11 подано на вход Vctrl (вывод 1) микросхемы DA2, которая регулирует выходное напряжение так, чтобы напряжение на этом выводе поддерживалось на уровне 1,21 В. Рассчитаем параметры делителя Принимаем R10 — 100кОм, тогда R11 = 100*1,21/(13,5-1,21) = 10 кОм. Стабилизация выходного напряжения на уровне 13.5 В при выходном токе менее 0,6 А происходит аналогично описанной выше стабилизации рабочего тока. Корректирующая RC-цепь R9C13 обеспечивает требуемую стабильность
контура регулирования выходного напряжения.
Проектирование импульсного трансформатора Т1 выполнено с помощью программы VIPer Design Software (v.2.24) [4]. Дистрибутив программы можно скачать по адресу [5]. При проектировании были выбраны следующие исходные значения параметров: сетевое напряжение — 176...264 В; пульсации выпрямленного напряжения сети — 40 В; ШИ-контроллер — VIPer22A в корпусе DIP8; отраженное напряжение — 120 В; выходное напряжение — 15,5 В; выходной ток — 0,7 А; магнитопровод трансформатора — Е20/10/5 из материала N27; первичная обмотка из 100 витков индуктивностью 2 мГн. В результате автоматизированного расчета получено, что для требуемой индуктивности 2 мГн первичной обмотки I из 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм магнитопровод трансформатора необходимо выполнить с зазором 0,19 мм на центральном керне. При этом обмотка связи II должна содержать 22 витка того же провода диаметром 0,05 мм, выходная обмотка — 14 витков диаметром 0,8 мм.
Трансформатор Т1 можно изготовить либо на отечественном магнитопроводе из феррита 2000НМ типоразмера Ш5х5, либо перемотать аналогичный переходный импульсный трансформатор Е20/10/5 из компьютерного блока питания AT Для этого трансформатор погружают на несколько часов в емкость с растворителем 646 (ацетоном) и после размягчения покрывающего трансформатор лака пошатыванием каркаса с обмотками добиваются его свободного перемещения на магнитопроводе Затем одновременно с двух сторон прогревают паяльниками места склейки половин магнитопровода и с небольшим усилием разделяют их. Имеющиеся обмотки сматывают, межслойную изоляцию используют повторно.
Первичную обмотку секционируют вначале наматывают первую секцию из 50 витков, для которой автор использовал провод ПЭВТЛ-2-ОС диаметром 0,2 мм, затем — вторичную обмотку жгутом из пяти скрученных вместе таких же проводов, после чего наматывают вторую секцию первичной. Обмотки разделяют межслойной изоляцией. Обмотку связи наматывают последней тем же проводом диаметром 0,12 мм. Перед склейкой магнитопровода на одной из половин алмазным надфилем укорачивают центральный керн, измеряя индуктивность первичной обмотки и добиваясь подгонкой немагнитного зазора ее требуемого значения с максимальным отклонением 5 %. Секции первичной обмотки соединяют на свободном выводе трансформатора, который укорачивают и никуда не подключают.
Дроссель L1 сетевого фильтра — от маломощных импортных ИИП. Он выполнен на магнитопроводе Е13/7/4 с двухсекционным каркасом, намотан в два провода (каждый — в своей секции) до заполнения каркаса. Диаметр провода — 0,12 мм, измеренная индуктивность — 60 мГн для каждой обмотки дросселя. Возможно его самостоятельное изготовление на броневом магнитопроводе Б14 с двухсекционным каркасом. Индуктивность дросселя особого значения не имеет, так как она получается достаточной при заполнении всего доступного сечения окна (обмотки должны быть симметричны). Дроссель L2 — импортный серии RC 0608-100, (Radial Choke — радиальный дроссель), индуктивность— 10 мкГн, наружный диаметр ферритового магнитопровода — 6 мм, высота — 8 мм, максимально допустимый ток — 1 А. Его можно заменить отечественным высокочастотным дросселем ДМ1 индуктивностью 10 мкГн.
Все элементы устройства, кроме светодиодов, смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2.
 
 Микросхема DA2 в корпусе SOT23-6 для поверхностного монтажа установлена на плате со стороны печатных проводников. Внешний
вид платы с деталями иллюстрирует рис. 3. Светоизлучающий блок лампы показан на рис. 4.
 
Светодиодная лампа не требует налаживания при исправных элементах и отсутствии ошибок в монтаже. Но перед первым включением светодиодов необходимо проверить значение стабилизируемого тока. Для этого вместо светодиодов включают мощный стабилитрон на теплоотводе, например Д815А. Измеренный ток через него должен находиться в пределах 550...650 мА. При необходимости этого можно добиться, подбирая резистор R5.
Если стабилизация тока или напряжения отсутствует, локализуют дефектный элемент. В разрыв между резистором R6 и анодом излучающего диода оптрона U1.2 (вывод 1) временно включают в той же полярности маломощный светодиод, например АЛ307БМ. К конденсатору С10 преобразователя подключают регулируемый стабилизированный источник питания.
Не подключая нагрузку, плавно увеличивают напряжение на выходе регупируемого источника питания от 5 до 15 В с одновременным контролем цифровым вольтметром напряжения на выводе 1 микросхемы DA2. При увеличении контролируемого напряжения свыше 1,2В светодиод должен загораться, при снижении — гаснуть. Если этого не происходит, определяют дефектный элемент в контролируемой цепи либо отсутствие контакта.
Затем в качестве нагрузки к выходу преобразователя включают резистор 10 Ом мощностью 10 Вт, который можно собрать, например, из пяти последовательно включенных резисторов МЛТ-2 по 2 Ома. Снова увеличивают напряжение на выходе регулируемого источника питания от 5 до 10 В с одновременным контролем цифровым вольтметром напряжения на выводе 4 микросхемы DA2 относительно общего провода выходной цепи. При увеличении контролируемого напряжения свыше 0,2 В светодиод должен загораться, при снижении — гаснуть, в противном случае ищут дефектный элемент в контролируемой цепи либо непропаянный контакт. После обнаружения причины неисправности дефект устраняют, временно установленный маломощный светодиод удаляют.
Отсутствие стабилизации тока или напряжения даже после проведения перечисленных операций будет указывать на дефекты в первичной цепи преобразователя (оптрон U1, резистор R3, конденсатор С5). После замены неисправных элементов устройство обычно начинает функционировать нормально,
В заключение необходимо еще раз убедиться, что ток через светодиоды находится в пределах 550...650 мА. При таком токе светодиоды работают в щадящем электрическом и тепловом режимах с максимальной долговечностью.
Радио №12, 2010г.
ЛИТЕРАТУРА
1.Косенко С. Сетевая светодиодная лампа с блоком питания на микросхеме VIPer22A. — Радио, 2010, №4, с 21-23.
2. ASMT-Mx2x/ASMT-MxEx MoonstoneTM 3W Power LED Light Source Avago technologies Data Sheet. — <http: //www.farnell.com/ datasheets/333206.pdf>.
3. TSM1052 Constant voltage and constant current controller for battery chargers and adapters. — <http://www.st.com/stonline/ products/literature/ds 13272.pdf>
4. Косенко С. Эволюция обратноходовых импульсных ИП. -- Радио, 2002. № 6. с. 43, 44; № 7, с. 47, 48: № 8, с. 32—35; № 9. с. 24—26.
5. VIPer Design Software v2.24. — <http:// www. st.com/stonline/products/families/ power_management/ac_dc_conversion/high_ voltage_converters/related_info/vipfm5. htm#p2>.