Застосування індуктивно-ємнісної гальванічної розв’язки у світлодіодних драйверах
Рубрикатор
наші новини
Підписка на новини
Які лампи Ви використовуєте для домашнього освітлення?
Тарасов Дмитро
Тітков Сергій
У статті розглядаються питання застосування індуктивно-ємнісної гальванічної розв'язки у світлодіодних драйверах. Фахівцями компанії «Good Luck» (м. Тула) придумано та реалізовано спосіб гальванічної розв'язки вихідного ланцюга ІІП без застосування імпульсного трансформатора.
Нині передачі сигналу між ланцюгами за умови їх гальванічної розв'язки найчастіше використовується оптрон, а передачі енергії між ланцюгами — трансформатор. Для гальванічної розв'язки вихідних ланцюгів імпульсних джерел живлення (ІІП) використовується імпульсний трансформатор. Це багатофункціональний пристрій, що забезпечує також і перенесення енергії від імпульсного перетворювача у вихідні ланцюги і вирішальне завдання отримання необхідних рівнів напруг і струмів. Разом з тим, імпульсний трансформатор є найчастіше найдорожчою деталлю імпульсного блоку живлення, на ньому відбуваються суттєві втрати енергії, крім того, він погано піддається мініатюризації. Існують численні варіанти ІІП, у тому числі світлодіодних драйверів, у конструкції яких відсутній імпульсний трансформатор, але їх вихідні ланцюги мають гальванічну зв'язок із вхідною напругою, тому їх застосування обмежене. Гальванічна розв'язка вихідних ланцюгів імпульсних джерел живлення необхідна при живленні їх від мережі змінного струму для запобігання ураженню електричним струмом людей, що контактують з ними, і захисту елементів схеми.
Фахівцями компанії «Good Luck» 1 (м. Тула) придумано та реалізовано спосіб гальванічної розв'язки вихідного ланцюга ІІПбез застосування імпульсного трансформатора. Розв'язка по постійному струму і струмів промислової частоти в запропонованому способі здійснюється за допомогою конденсаторів розділових, а розв'язка для струмів власних частот ІІП здійснюється за допомогою розділових індуктивностей. Крім того, через розділові конденсатори відбувається перенесення енергії від ключового каскаду імпульсного джерела живлення у вихідний ланцюг.
Принцип дії запропонованого способу розв'язування пояснюють рис. 1 і 2. Червоним кольором показаний один із можливих шляхів неконтрольованого струму промислової частоти, наявність якого може призвести до ураження людей, які мають електричний контакт з вихідним ланцюгом, або вихід з ладу елементів ІІП. Зеленим кольором показаний один із можливих шляхів неконтрольованого струму власної частоти імпульсного джерела живлення.
Мал. 1. Схема розв'язки (червона лінія - один із можливих шляхів неконтрольованого струму промислової частоти)
Відбір енергії від вихідного каскаду імпульсного перетворювача вихідний ланцюг здійснюється за допомогою розділових конденсаторів Ср1 і Ср2. Ємності цих конденсаторів обрані так, що вони являють собою високий опір для струмів промислової частоти і практично повністю виключають їх появу у вихідному ланцюгу (рис. 1). Наприклад, при роботі імпульсного перетворювача на частоті 100 кГц значення ємностей Ср1 і Ср2 не більше 47 нФ, реактивний опір такої ємності на частоті 50 Гц становить 67725,5 Ом, струм на частоті 50 Гц навіть при їх безпосередньому підключенні до джерела2 складе лише близько 3 мА. Зі збільшенням частоти імпульсного перетворювача до 500 кГц ємності конденсаторів Ср1 та Ср2 можна зменшити до 10 нФ, відповідно можливий струм через них буде меншим1 мА.
Розв'язка для струмів власних частот імпульсного перетворювача здійснюється розділовими індуктивностями Lр1 і Lр2 (рис. 2) та/або індуктивностями вхідного фільтра L. Наприклад, при величині індуктивності вхідного фільтра 22 мГн її опір на частоті 100 кГц для імпульсів Таким чином, навіть безпосереднє замикання вихідного ланцюга з промисловою мережею призведе до виникнення струму не більше 10 мА.
Мал. 2. Схема розв'язки (зеленим кольором показаний один із можливих шляхів неконтрольованого струму власної частоти імпульсного джерела живлення)
Спосіб реалізований у кількох варіантах ІІП, показаних на рис. 3–8. На рис. 3 представлена схема імпульсного джерела для живлення 20 одноватних світлодіодів струмом 350 мА на основі напівмостового контролера IR2153.
Мал. 3. Схема імпульсного джерела для живлення 20 одноватних світлодіодів струмом 350 мА на основі напівмостового контролера IR2153
Частота роботи ІІП встановлюється за допомогою елементів R2, C3 та становить близько 90 кГц. Застосувавши транзистори з малою ємністю затвора частоту можна підвищити. Гальванічну розв'язку вихідний ланцюга по постійному струму та струму промислової частоти від інших елементів схеми забезпечують розділові конденсатори С7 і С8, розв'язку для струмів власних частот роботи ІІП здійснює індуктивність L1 на його вході. Елементи С4, L2 та VD1 служать для живлення контролера. Елементи L3 і С6 необхідні нормальної роботи схеми без навантаження, струм через індуктивність L3 становить одиниці міліампер. Індуктивність L4 розрахована струм не менше 1 А. Індуктивність L5 полегшує режим роботи вихідної ємності С9, зменшуючи в ньому високочастотні струми. Конденсатори С7 та С8 повинні мати робоченапруга не менше 400 В та малі втрати на високих частотах. Деякі моделі конденсаторів, незважаючи на заявлені виробниками параметри, в даному випадку взагалі непридатні - при їх застосуванні на виході джерела живлення вдається отримати струм не більше 0,05 А. Для експериментів можна використовувати конденсатори ємністю 47 нФ на робочу напругу 400 В, які застосовуються в електронних баластів енергозберігаючих ламп. Величина вихідного струму залежить від параметрів конденсаторів С7 і С8 і встановлюється зміною індуктивності L4.
Мал. 4. Схема імпульсного джерела живлення на основі контролера для зворотноходових перетворювачів NCP1200
На рис. 5 представлена схема світлодіодного драйвера на основі мікросхеми HV9910 з гальванічною розв'язкою.
Мал. 5. Схема світлодіодного драйвера на основі мікросхеми HV9910 з гальванічною розв'язкою
Цей драйвер досить дешевий завдяки низькій вартості HV9910 (близько 20 руб. оригінал і близько 7 руб. - Китайський аналог), його застосування в конструкції світлодіодних ламп знизить їх вартість. При такому включенні HV9910 через її особливості драйвер не можна вмикати без навантаження.
На рис. 6 представлена схема імпульсного джерела живлення на основі контролера для зворотноходових перетворювачів TNY378. Контролер працює на частоті 248 кГц. При зазначених номіналах джерело живлення має такі характеристики: вихідний струм 0,12 А в діапазоні напруги 0-200 В; ККД у вказаному діапазоні напруг 0,85-0,9; коефіцієнт потужності 0,75-0,93.
Мал. 6. Схема імпульсного джерела живлення на основі контролера для зворотноходових перетворювачів TNY378
На рис. 7 показано застосування способу розв'язки в імпульсних перетворювачах, що застосовуютьсяяк електронний баласт в енергозберігаючих лампах.
Мал. 7. Схема методу розв'язки в імпульсних перетворювачах
Очевидно, що як драйвери для світлодіодних ламп можна використовувати відпрацьовані схеми електронних баластів, що може суттєво знизити їхню собівартість.
На рис. 8 представлена схема імпульсного джерела живлення на основі контролера для зворотноходових перетворювачів типу TOP202.
Мал. 8. Схема імпульсного джерела живлення на основі контролера для зворотноходових перетворювачів типу TOP202
Пропонована гальванічна розв'язка одержала назву індуктивно-ємнісної. Вона є інтелектуальною власністю компанії Good Luck, до теперішнього часу отримано патент на корисну модель і подана заявка на винахід. На сьогодні це перша альтернатива імпульсному трансформатору, яка не має аналогів у світі. За оцінками незалежних експертів, у найближчі кілька років індуктивно-ємнісна гальванічна розв'язка витіснить трансформаторну насамперед у малогабаритних імпульсних джерелах живлення. Завдяки відсутності імпульсного трансформатора імпульсний блок живлення з індуктивно-ємнісною розв'язкою потужністю до 10 Вт може вміститися буквально у вилці. Надійність індуктивно-ємнісної гальванічної розв'язки визначається в основному надійністю її розділових конденсаторів, робочу напругу яких необхідно вибирати в два-три рази вище за амплітуду імпульсів імпульсного перетворювача. При використанні розподільчих конденсаторів з малими втратами ККД імпульсного джерела живлення вище, ніж у аналогічного з трансформаторною розв'язкою. Застосування індуктивно-ємнісної розв'язки дозволяє суттєво знизити ціну на імпульсні джерела живлення, оскількиімпульсний трансформатор є однією з найдорожчих деталей. Усі схеми, що ілюструють цю статтю, тією чи іншою мірою протестовані фахівцями компанії Good Luck. Результати тестування підтверджують вищий ККД імпульсних джерел живлення з індуктивно-ємнісною розв'язкою порівняно з трансформаторною. На сайті компанії www.glholding.ru розміщені моделі імпульсних джерел живлення із пропонованою гальванічною розв'язкою вихідних ланцюгів для симулятора електронних схем Multisim 10.
Інші статті на цю тему:
Якщо Ви помітили якісь неточності у статті (відсутні малюнки, таблиці, недостовірну інформацію тощо), прохання повідомити про це нам. Будь ласка, вкажіть посилання на сторінку та опис проблеми.