лампа в разборе

Простая схема драйвера для светодиодной лампы на 220 вольт для сборки своими руками

Неотъемлемой частью любой качественной лампы или светильника на светодиодах является драйвер. Применительно к освещению, под понятием «драйвер» следует понимать электронную схему, которая преобразует входное напряжение в стабилизированный ток заданной величины. Функциональность драйвера определяется шириной диапазона входных напряжений, возможностью регулировки выходных параметров, восприимчивостью к перепадам в питающей сети и эффективностью.

От перечисленных функций зависят качественные показатели светильника или лампы в целом, срок службы и стоимость. Все источники питания (ИП) для светодиодов условно разделяют на преобразователи линейного и импульсного типа. Линейные ИП могут иметь узел стабилизации по току или напряжению. Часто схемы такого типа радиолюбители конструируют своими руками на микросхеме LM317. Такое устройство легко собирается и имеет малую себестоимость. Но, ввиду очень низкого КПД и явного ограничения по мощности подключаемых светодиодов, перспективы развития линейных преобразователей ограничены.

Импульсные драйверы могут иметь КПД более 90% и высокую степень защиты от сетевых помех. Их мощность потребления в десятки раз меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. Благодаря этому они могут изготавливаться в герметичном корпусе и не боятся перегрева.

Первые импульсные стабилизаторы имели сложное устройство без защиты от холостого хода. Затем они модернизировались и, в связи с бурным развитием светодиодных технологий, появились специализированные микросхемы с частотной и широтно-импульсной модуляцией.

Схема питания светодиодов на основе конденсаторного делителя

К сожалению, в конструкции дешёвых светодиодных ламп на 220В из Китая не предусмотрен ни линейный, ни импульсный стабилизатор. Мотивируясь исключительно низкой ценой готового изделия, китайская промышленность смогла максимально упростить схему питания. Называть её драйвером не корректно, так как здесь отсутствует какая-либо стабилизация. схема светодиодной лампы из Китая

Из рисунка видно, что электрическая схема лампы рассчитана на работу от сети 220В. Переменное напряжение понижается RC-цепочкой и поступает на диодный мост. Затем выпрямленное напряжение частично сглаживается конденсатором и через токоограничивающий резистор поступает на светодиоды. Данная схема не имеет гальванической развязки, то есть все элементы постоянно находятся под высоким потенциалом.

В результате частые просадки сетевого напряжения приводит к мерцанию светодиодной лампы. И наоборот, завышенное напряжение сети вызывает необратимый процесс старения конденсатора с потерей ёмкости, а, иногда, становится причиной его разрыва. Стоит отметить, что еще одной, серьезной отрицательной стороной данной схемы является ускоренный процесс деградации светодиодов вследствие нестабильного тока питания.

Схема драйвера на CPC9909

cpc9909Современные импульсные драйверы для светодиодных ламп имеют несложную схему, поэтому ее можно легко смастерить даже своими руками. Сегодня, для построения драйверов, производится ряд интегральных микросхем, специально предназначенных для управления мощными светодиодами. Чтобы упростить задачу любителям электронных схем, разработчики интегральных драйверов для светодиодов в документации приводят типичные схемы включения и расчеты компонентов обвязки.

Общие сведения

Американская компания Ixys наладила выпуск микросхемы CPC9909, предназначенной для управления светодиодными сборками и светодиодами высокой яркости. Драйвер на основе CPC9909 имеет небольшие габариты и не требует больших денежных вложений. ИМС CPC9909 изготавливается в планарном исполнении с 8 выводами (SOIC-8) и имеет встроенный стабилизатор напряжения.

Благодаря наличию стабилизатора рабочий диапазон входного напряжения составляет 12-550В от источника постоянного тока. Минимальное падение напряжения на светодиодах – 10% от напряжения питания. Поэтому CPC9909 идеальна для подключения высоковольтных светодиодов. ИМС прекрасно работает в температурном диапазоне от -55 до +85°C, а значит, пригодна для конструирования светодиодных ламп и светильников для наружного освещения.

Назначение выводов

Стоит отметить, что с помощью CPC9909 можно не только включать и выключать мощный светодиод, но и управлять его свечением. Чтобы узнать обо всех возможностях ИМС, рассмотрим назначение ее выводов.распиновка

  1. VIN. Предназначен для подачи напряжения питания.
  2. CS. Предназначен для подключения внешнего датчика тока (резистора), с помощью которого задаётся максимальный ток светодиода.
  3. GND. Общий вывод драйвера.
  4. GATE. Выход микросхемы. Подает на затвор силового транзистора модулированный сигнал.
  5. PWMD. Низкочастотный диммирующий вход.
  6. VDD. Выход для регулирования напряжения питания. В большинстве случаев подключается через конденсатор к общему проводу.
  7. LD. Предназначен для задания аналогового диммирования.
  8. RT. Предназначен для подключения время задающего резистора.

Схема и ее принцип работы

Типичное включение CPC9909 с питанием от сети 220В показано на рисунке. Схема способна управлять одним или несколькими мощными светодиодами или светодиодами типа High Brightness. Схему можно легко собрать своими руками даже в домашних условиях. Готовый драйвер не нуждается в наладке с учетом грамотного выбора внешних элементов и соблюдением правил их монтажа. схема

Драйвер для светодиодной лампы на 220В на базе CPC9909 работает по методу частотно-импульсной модуляции. Это означает, что время паузы является постоянной величиной (time-off=const). Переменное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается емкостным фильтром C1, C2. Затем оно поступает на вход VIN микросхемы и запускает процесс формирования импульсов тока на выходе GATE. Выходной ток микросхемы управляет силовым транзистором Q1. В момент открытого состояния транзистора (время импульса «time-on») ток нагрузки протекает по цепи: «+диодного моста» – LED – L – Q1 – RS – «-диодного моста».принцип работы схемы За это время катушка индуктивности накапливает энергию, чтобы отдать её в нагрузку во время паузы. Когда транзистор закрывается, энергия дросселя обеспечивает ток нагрузки в цепи: L – D1 – LED – L.цикл Процесс носит циклический характер, в результате чего ток через светодиод имеет пилообразную форму. Наибольшее и наименьшее значение пилы зависит от индуктивности дросселя и рабочей частоты. пикиЧастота импульсов определяется величиной сопротивления RT. Амплитуда импульсов зависит от сопротивления резистора RS. Стабилизация тока светодиода происходит путем сравнения внутреннего опорного напряжения ИМС с падением напряжения на RS. Предохранитель и терморезистор защищают схему от возможных аварийных режимов.

Расчет внешних элементов

Частотозадающий резистор

Длительность паузы выставляют внешним резистором RT и определяют по упрощенной формуле:

tпаузы=RT/66000+0,8 (мкс).

В свою очередь время паузы связано с коэффициентом заполнения и частотой:

tпаузы=(1-D)/f (с), где D – коэффициент заполнения, который представляет собой отношение времени импульса к периоду.

Рекомендованный производителем диапазон рабочих частот составляет 30-120 кГц. Таким образом, сопротивление RT можно найти так: RT=(tпаузы-0,8)*66000, где значение tпаузы подставляют в микросекундах.

Датчик тока

Номинал сопротивления RS задает амплитудное значение тока через светодиод и рассчитывается по формуле: RS=UCS/(ILED+0.5*IL пульс), где UCS – калиброванное опорное напряжение, равное 0,25В;

ILED – ток через светодиод;

IL пульс – величина пульсаций тока нагрузки, которая не должна превышать 30%, то есть 0,3*ILED.

После преобразования формула примет вид: RS=0,25/1.15*ILED (Ом).

Мощность, рассеиваемая датчиком тока, определяется формулой: PS=RS*ILED*D (Вт).

К монтажу принимают резистор с запасом по мощности 1,5-2 раза.

Дроссель

Как известно, ток дросселя не может измениться скачком, нарастая за время импульса и убывая во время паузы. Задача радиолюбителя в том, чтобы подобрать катушку с индуктивностью, обеспечивающей компромисс между качеством выходного сигнала и её габаритами. Для этого вспомним об уровне пульсаций, который не должен превышать 30%. Тогда потребуется индуктивность номиналом:

L=(USLED*tпаузы)/ IL пульс, где ULED – падение напряжения на светодиоде (-ах), взятое из графика ВАХ.

Фильтр питания

В цепи питания установлены два конденсатора: С1 – для сглаживания выпрямленного напряжения и С2 – для компенсации частотных помех. Так как CPC9909 работает в широком диапазоне входного напряжения, то в большой ёмкости электролитического С1 нет нужды. Достаточно будет 22 мкФ, но можно и больше. Емкость металлопленочного С2 для схемы такого типа стандартная – 0,1 мкФ. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не менее 400В.

Однако, производитель микросхемы настаивает на монтаже конденсаторов С1 и С2 с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), чтобы избежать негативного влияния высокочастотных помех, возникающих при переключении драйвера.

Выпрямитель

Диодный мост выбирают, исходя из максимального прямого тока и обратного напряжения. Для эксплуатации в сети 220В его обратное напряжение должно быть не менее 600В. Расчетная величина прямого тока напрямую зависит от тока нагрузки и определяется как: IAC=(π*ILED)/2√2, А.

Полученное значение необходимо умножить на два для повышения надежности схемы.

Выбор остальных элементов схемы

Конденсатор C3, установленный в цепи питания микросхемы должен быть ёмкостью 0,1 мкФ с низким значением ESR, аналогично C1 и C2. Незадействованные выводы PWMD и LD также через C3 соединяются с общим проводом.

Транзистор Q1 и диод D1 работают в импульсном режиме. Поэтому выбор следует делать с учетом их частотных свойств. Только элементы с малым временем восстановления смогут сдержать негативное влияние переходных процессов в момент переключения на частоте около 100 кГц. Максимальный ток через Q1 и D1 равен амплитудному значению тока светодиода с учетом выбранного коэффициента заполнения: IQ1=ID1= D*ILED, А.

Напряжение, прикладываемое к Q1 и D1, носит импульсный характер, но не более, чем выпрямленное напряжение с учетом емкостного фильтра, то есть 280В. Выбор силовых элементов Q1 и D1 следует производить с запасом, умножая расчетные данные на два.

Предохранитель (fuse) защищает схему от аварийного короткого замыкания и должен длительно выдерживать максимальный ток нагрузки, в том числе импульсные помехи.

IFUSE=5*IAC, А.

Установка терморезистора RTH нужна для ограничения пускового тока драйвера, когда фильтрующий конденсатор разряжен. Своим сопротивлением RTH должен защитить диоды мостового выпрямителя от пробоя в начальные секунды работы.

RTH=(√2*220)/5*IAC, Ом.

Другие варианты включения CPC9909

Плавный пуск и аналоговое диммирование

При желании CPC9909 может обеспечить мягкое включение светодиода, когда его яркость будет постепенно нарастать. Плавный пуск реализуется при помощи двух постоянных резисторов, подключенных к выводу LD, как показано на рисунке. Данное решение позволяет продлить срок службы светодиода.

Также вывод LD позволяет реализовывать функцию аналогового диммирования. Для этого резистор 2,2 кОм заменяют переменным резистором 5,1 кОм, тем самым плавно изменяя потенциал на выводе LD.

Импульсное димирование

Управлять свечением светодиода можно путем подачи импульсов прямоугольной формы на вывод PWMD (pulse width modulation dimming). Для этого задействуют микроконтроллер или генератор импульсов с обязательным разделением через оптопару.

Кроме рассмотренного варианта драйвера для светодиодных ламп, существуют аналогичные схемные решения от других производителей: HV9910, HV9961, PT4115, NE555, RCD-24 и пр. Каждая из них имеет свои сильные и слабые места, но в целом, они успешно справляются с возложенной нагрузкой при сборке своими руками.