. : New eShop! - Mobilní verze - Pandatron.cz - Pandatron.sk - Diskuzní fórum - Zakázkový vývoj : .
 
Jednoduché řešení napájení LED v pouličním osvětlení

Jednoduché řešení napájení LED v pouličním osvětlení

Diody LED jsou dnes stále více používány v řadě donedávna nemyslitelných aplikací. Zde pomáhají nahradit klasické, dnes již notně zastaralé světelné zdroje, mnohem modernější technologií. Tím nám však zároveň přinášejí i celou řadu nových problémů, především z oblastí tepelné, optické a samozřejmě elektrické energie.

Hlavní podmínkou návrhu moderních aplikací je především maximalizace účinnosti. Nicméně, výběr vhodného budiče LED je téměř vždy omezován i dalšími podmínkami. Například u LED žárovek v klasickém šroubovacím provedení jsou obvyklé triakové regulátory, což výrazně omezuje výběr možné topologie napájecího zdroje. V případě LED pro pouliční osvětlení je, v závislosti na řídicím orgánu, izolace zbytečná, ovšem korekce účiníku (PFC) je téměř vždy nezbytná. V těchto aplikacích je tedy možné s výhodou použít například konvertory topologie PFC SEPIC, které nám pro řízení LED nabízejí velice elegantní řešení.

Požadované napětí je v koncových zařízeních získáváno obvykle pomocí zvyšujícího konvertoru. Účiník je přitom definován jako: poměr skutečného výkonu ke zdánlivému výkonu, dodaného do systému. Integrovaný obvod zvyšujícího konvertoru je tak zodpovědný za průběžné sledování tvaru síťového napětí a proudu, s cílem dosažení vysokého stupně výkonu. Výstup zvyšujícího konvertoru dále napájí izolovaný DC/DC měnič, sloužící k získání napětí požadovaného systémem. Takové uspořádání má za následek dvojí konverzi, čímž se výrazné omezuje celková účinnost. I přesto, že je účinnost obou systémů vyšší než 94 procent, jejich kombinací je dosaženo pouze 88 procentní účinnosti (0,94 x 0,94 = 0,88). Z toho plyne, že vypuštěním druhého konvertoru je možné dosáhnou výrazně vyšší účinnosti převodu, značné úspory energie a zároveň i snížení tepelného zatížení.

Z principu vyplývá, že na výstupu zvyšujícího převodníku musí být stejnosměrné napětí vždy vyšší, než je maximální vstupní napětí. To znamená, že pro systémy, které pracují s napětím 265 VAC na vstupu, musí být výstupní napětí větší než 375 VDC. U lamp s diodami LED se velikost nominálního napětí liší v závislosti na celkovém úbytku napětí na LED a samozřejmě počtu LED zapojených v sérii. Typický úbytek napětí pro bílou LED je 3,5 V, ovšem s poměrně širokou tolerancí. Počet LED, zapojených v sérii, závisí na konkrétní aplikaci, ale téměř vždy tvoří řetězec, jehož svorkové napětí je menší než 375 VDC. Tím se tedy vylučuje použití pouze zvyšujícího převodníku. Obrázek 1 ukazuje, že pro regulaci napětí LED je důležitá podpora celé části cyklu 50Hz/60Hz. V místě, kde je vstupní napětí menší než výstupní napětí, je použit zvyšující konvertor a naopak, v místě, kde je vstupní napětí vyšší než výstupní je potřeba použít snižující konvertor. Mezi nejzákladnější neizolované převodníky, schopné plnit obě tyto funkce, je možné zařadit především obvody topologie SEPIC.


Obr. 1: Typické aplikace s LED v pouličním osvětlení mají výstupní napětí nižší než špičkové napětí AC vstupu a vyžadují tak snižující i zvyšující konvertor

Obrázek 2 zachycuje zjednodušená schémata PFC obvodů s jednoduchou a dvojitou indukčností v topologii SEPIC. V obou případech je výkonový tranzistor FET připojen k primárnímu vinutí z důvodu jeho snadnějšího řízení. V takové konfiguraci SEPIC může být použit prakticky jakýkoliv zvyšující PFC regulátor, bez ohledu na jeho pracovní režim. Provoz v režimu přerušovaného vedení (DCM) je výhodný, neboť eliminuje další ztrátový výkon spojený se zotavovacím proudem výstupní diody, známý z provozu v režimu nepřetržitého vedení (CCM).

Režim DCM má však za následek i vyšší špičkové proudy, které mohou být zdroje zvýšeného elektromagnetického rušení (EMI), a vyšší vysokofrekvenční střídavé proudy v magnetickém obvodu. Provoz v režimu přechodu (transition mode) mezi DCM a CCM umožňuje využití výhod DCM při současné minimalizaci špičkových proudů. Vzhledem k relativně vysokým špičkovým proudům, je přechodový režim obvykle omezen na výstupní výkon 150 W a méně.


Obr. 2: Zjednodušené schéma zvyšujícího a SEPIC PFC obvodu

V takovém režimu pracuje regulátor na základě kontroly maximální proudu v hlavním tranzistoru FET. Pomocí reference, získané ze síťového napětí, je maximální proud tranzistorem nucen kopírovat sinusový tvar vstupního střídavého napětí. V případě zvyšujícího konvertoru je průměr vstupního proudu do měniče (v každém bodě sinusoidy 50Hz/60Hz) dán vztahem:

Rovnice 1

Z toho vyplývá, že špičkový proud tranzistoru FET je vždy roven dvojnásobku průměrného síťového proudu a průměrný síťový proud je velmi úzce spjat s velikostí napětí. V indukčnosti regulátoru SEPIC je však průměrný síťový proud v libovolném bodě sinusoidy modulován pracovním cyklem, přičemž je dán vztahem:

Rovnice 2

Průběh proudu je v této rovnici narušován pracovním cyklem označeným písmenem D. Pracovní cyklus je závislý na poměru vstupního a výstupního napětí a mění se s periodou 50Hz/60Hz. Obrázek 3 zachycuje průběhy proudu klasického zvyšujícího a SEPIC regulátoru s různým výstupním napětím. Ve většině aplikací je takové zkreslení dostatečně nízké na to, aby byl zajištěn odpovídající účiník a splněny všechny požadavky na harmonické průběhy.


Obr. 3: TM Boost zajišťuje nízké zkreslení a dobrou účinnost, zatímco zkreslení a účinnost s TM SEPIC jsou silně závislé na poměru výstupního a maximálního vstupního napětí

Na obrázku 4 je uvedeno kompletní schéma regulátoru TM PFC SEPIC, určeného pro napájení sériově řazených 80 bílých LED z 230 VAC. Úbytek napětí na celém diodovém řetězci se může lišit od 256 VDC až do 304 VDC. Aktuální výstupní proud je snímán rezistorem R8 a obvodem UCC28810 (U2) regulován na konstantní hodnotu 350 mA. Regulátor zajišťuje přechodové stavy, čekající tak dlouho, dokud není všechna energie z indukčnosti vyčerpána a teprve až poté zahajuje nový spínací cyklus. Energie v transformátoru je monitorována z napětí na pomocném vinutí a detekcí nulové hodnoty na pinu obvodu (detekce průchodu nulou). Toto pomocné vinutí je zároveň použito i pro následné napájení řídicího obvodu.


Obr. 4: Jednoduchý obvod poskytující účinné řízení proudu LED

Z povahy PFC měniče vyplývá, že napětí na jeho výstupu má, vůči vstupnímu napětí s frekvencí 50Hz nebo 60Hz, dvojnásobnou frekvenci. Tím je na výstupním kondenzátoru (C5) vytvořeno zvlnění o frekvenci 100 nebo 120 Hz. Rozdělení tohoto zvlnění mezi LED a sériový odpor řetězce, je dána velikost zvlnění 100Hz/120Hz i na samotných LED. Měřený proud je typicky definován jako hodnota nižší než 20 procent průměrného proudu LED. Samozřejmě je na výstupu kondenzátoru třeba počítat i s výraznými RMS proudy a to na obou spínacích frekvencích 100Hz i 120Hz. Nicméně i tak obvyklý výběr kondenzátoru podle velikosti maximálního zvlnění proudu LED poskytuje adekvátní hodnotu kapacity. Na obrázku 5 je uveden průběh výstupního proudu LED v obvodu z obr. 4.


Obr. 5: Zvlnění proudu LED s frekvencí 100Hz

PFC regulátory se obvykle využívají k regulaci vysokého výstupního napětí a z toho důvodu mají i na pinu zpětné vazby relativně vysoké referenční napětí. V tomto obvodu je však referenční napětí pouze 2,5 V, s cílem snížit ztráty v proudovém bočníku LED. V obvodu zpětné vazby je proto použita reference s obvodem TLV431A, viz. obr. 4. Tato úprava vede ke snížení ztrát až na hodnotu 0,5 procenta a umožňuje použití přesných rezistorů se zatížením jen 0,44 W. Na obrázku 6 je uvedena výsledná účinnost a účiník pro tento návrh.


Obr. 6: Uvedený návrh poskytuje účinnost lepší než 90 procent a účiník nad 0,96

Pro uvedený 100W design je při použití pouze jediného koncového stupně možné snadno dosáhnout účinnosti nad 90 procent. Zároveň se i účiník pohybuje nad hodnotou 0,96, což je pro většinu běžných aplikací více než dostačující. Zvážíme-li tak minimální počet součástek, přesnou regulaci proudu, vysoký účiník a celkovou efektivitu převodu, je při návrhu pouličního LED osvětlení zdroj SEPIC PFC dobrou volbou.

Reference:
Datový list obvodu UCC28810 a další technické dokumenty lze stáhnout z adresy: www.ti.com/ucc28810-ca.
Tento článek představil řešení pro neizolovaného LED pouličního osvětlení. Pro zájemce je připraven i následující videoklip, prezentující možnosti izolovaného provedení a PFC aplikace:
http://community.ti.com/media/p/26871.aspx.

O autorovi:
Brian King je aplikační inženýr v Texas Instruments a člen skupiny technického personálu. Brian je členem IEEE a držitelem ocenění BSEE a MSEE z University of Arkansas. Můžete ho kontaktovat na adrese ti_brianking@list.ti.com.

Odkazy & Download:
Domovská stránka firmy Texas Instruments
Domovská stránka firmy Texas Instruments v českém jazyce
Přehled distributorů

LED Driver, Lighting & Display Solutions
Informace o obvodu UCC28810
Informace o obvodu TLV431A







GooglePlus1 FaceBook Twitter del.icio.us DiGG Google StumbleUpon Google Buzz Email RSS PDF Tisk

Komentáře:
Název příspěvku: Vaše jméno: host
                 
  Zakázat formátování [Zakáže kódování a nahrazování smajlíky.]
Připojit soubory
reklama:
WiFi moduly WizFi250-H
WiFi moduly WizFi250 přinášejí snadné a rychlé připojení libovolné aplikace do internetu, nebo vytvoření vlastního AP.
Skladem od 640 Kč

Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací. Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
RSS kanály: | |
+420 723 846 377
info@pandatron.cz
Všechna práva vyhrazena | mobilní verze | © Copyright 2000 - 2016 ISSN 1803-6007