magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Texas PowerTips cikksorozat lid melletti abra 35 reszSorozata jelen folytatásában Robert a hálózatra közvetlenül kapcsolható, szigeteletlen meghajtóáramkört mutat be ledfüzérrel működő világítótestek táplálására.

.

 

 

 

 

Jó hatásfokú világítás nagyfeszültségű ledes elrendezéssel

A hatásfokra egyre érzékenyebb világunkban jelentős az érdeklődés olyan fényforrások kidolgozására, amelyekkel közvetlenül helyettesíthetők a kifutóban levő izzólámpák. Ezekben a ledes „izzólámpa-helyettesítőkben” néhány (5…9) ledet kapcsolnak sorosan, és egy tápegység alakítja át a hálózati váltakozó feszültséget kisebb (tipikusan néhányszor 10 voltos) egyenfeszültséggé, 350…700 mA terhelésre. Először is arra a kérdésre kell válaszolnunk, hogy mi a legjobb módja annak, hogy elszigeteljük a felhasználót a hálózati váltakozófeszültségtől. A szigetelést vagy a galvanikusan leválasztott tápegység, vagy a ledek és az elektronika megbízhatóan szigetelt befoglalása valósíthatja meg. A kisebb teljesítményű megoldásoknál a ledek fizikai szigetelése a tipikus választás, mivel ebben az esetben olcsóbb, szigeteletlen tápegységet használhatunk. Az 1. ábrán egy tipikus, ledes izzólámpa-helyettesítőt láthatunk. Ennek tápegysége szigeteletlen, ami azt jelenti, hogy a felhasználót a nagyfeszültségű pontok megérintésétől a lámpa tokozata védi meg, nem pedig a tápegység. Könnyen belátható, hogy ennél a megoldásnál nagyon kis hely marad a tápegység elhelyezésére, amely elsősorban a tokozat tervezésénél okoz nehézségeket. Ezenkívül mivel a tápegység meg nem érinthető módon van elrejtve a tokozatban, lényeges fontosságú a hűtés, és ennek egyszerűsítése érdekében pedig a jó hatásfok.

 

FIGURE 01

1. ábra Egy izzólámpahelyettesítő tokozatban nagyon kis hely van a tápegység számára


A 2. ábra mutatja annak a szigeteletlen tápegységnek a kapcsolási rajzát, amely a 120 V-os[1] váltakozó áramú hálózatból állítja elő a ledek meghajtásához szükséges kimenetet. A feszültségcsökkentő (buck)  szabályozó egy „fejtetőre állított” megoldás, amelyben a Q2 teljesítménykapcsoló-MOSFET a visszatérő ágban van, a D3 megfogódióda pedig a tápfeszültségre kapcsolódik. Az áramszabályozás a teljesítménykapcsoló bekapcsolási ideje alatt működik. Ez az áramkör jó hatásfokú ugyan (80…90%), de van néhány hátránya. A teljesítménykapcsolón – annak bekapcsolt állapotában – átfolyik a teljes terhelőáram, amely kikapcsolt állapotban viszont a megfogódiódán folyik át. Az R8 és R10 áramérzékelő ellenállásokon eső feszültség 1 V nagyságrendű, amely már nem elhanyagolható érték a ledfüzéren eső 15…30 V-hoz képest, következésképpen észrevehetően rontja a tápegység hatásfokát. Ami azonban még ennél is fontosabb, ezek a veszteségek hővé alakulva a lámpatest szerelvényének hőmérsékletét emelik. Egy led működési élettartama pedig erősen függ a működési hőmérsékletétől. Például egy led fényárama 70 °C-on 50 000 óra üzemidő után csökken 30%-kal, de ha a hőmérséklet 80 °C, ez már 30 000 óra múlva bekövetkezik. A termikus problémát tovább bonyolítja az a tény, hogy a ledes fényforrásokat rendszerint zárt világítótestekbe szerelik be, amely akadályozza a konvekciós hűtést, és ezzel „csapdába ejti” a hőt.

 

FIGURE 02

2. ábra A feszültségcsökkentő átalakító egyszerű offline ledmeghajtó alkalmazása


A ledgyártók elkezdtek olyan – nagyobb feszültségű – ledes fényforrásokat előállítani, amelyben néhány sorosan kapcsolt ledet egyetlen közös hordozólapra építenek. Ezek a nagyobb feszültségű eszközök előnye egyrészt a költségcsökkentés, másrészt a nagyobb tápegységhatásfok lehet. Ezekkel a nagyobb feszültségű termékekkel egy lényegesen olcsóbb tápegységmegoldás is elképzelhető, amely néhány egyenirányítóból és előtét-ellenállásból áll. Miközben ez a megközelítés elfogadhatóan jó teljesítménytényezőt eredményez, a hatásfok viszont nagyon rossz. Mivel a bemeneti feszültség jelentős része az előtét-ellenállásra jut, és azon 30…50% veszteséggé alakul, ezért a hatásfok csökken. Ez a megoldás tehát csak a kis teljesítményű alkalmazásokban jelenthet megoldást, ahol a kis méret számít elsődleges követelménynek. Nagyobb teljesítményeken viszont a hatásfok ilyen mértékű csökkenése vállalhatatlan. A 3. ábra újabb alternatívát mutat, amely egy feszültségnövelő (boost) tápegységen alapul. A kétféle megközelítés áramköri megoldása legnagyobbrészt hasonló.

 

FIGURE 03

3. ábra Nagyobb hatásfokú ledmeghajtó feszültségnövelő kapcsolással


A teljesítménykapcsoló, a dióda és az áramérzékelés veszteségei viszont a boost-szabályozónál jelentősen kisebbek, amelynek eredményeképpen a hatásfok a 90…95%-ot is elérheti. Ráadásul a teljesítménytényezője is igen jó: a mérések 0,97-et mutatnak.
A 4. ábrán összehasonlíthatjuk az 2. és a 3. ábrán látható tápegységek fotóját. Bár a két áramkör nagyjából ugyanakkora kimeneti teljesítményt állít elő, mégis van néhány – a tápegységek kész méretét befolyásoló – feltűnő különbség. A feszültségnövelő áramkörben használt induktivitás láthatóan kisebb, mivel kisebb az energiatárolási igény. A feszültségcsökkentő áramkörön ezenkívül látunk egy nagyobb méretű ellenállást is. Ez az ellenállás (R20 a 2. ábrán) műterhelésként funkcionál, amelyet azért építettünk be, hogy megakadályozzuk egy külső fényerő-szabályozó (dimmer) vezérelt egyenirányítójának (triak) hibás működését. Ez azért szükséges, mert a dimmerekben a triakkal párhuzamosan elektromágneses zavarokat (EMI) szűrő kondenzátort szokás beépíteni, amely terheletlenül aránylag nagy fe­szültségre[2] töltődne. Ez zavarja a tápegységet, és téves gyújtásokat eredményez a dimmerben. Erre az előterhelő ellenállásra a feszültségnövelő kapcsolásban nincs szükség, mert az utóbbinál a ledek a feszültségnövelő induktivitásra kapcsolódnak, és elegendő terhelést képviselnek ahhoz, hogy a dimmer téves gyújtása ne okozhasson problémát. Végeredményben tehát a feszültségnövelő kapcsolásnak kevesebb a veszteségi teljesítménye, ami az „izzólámpányi” méretű, szűk helyre való beépítésnél rendkívül fontos előny. 

 

FIGURE 04

4. ábra A boost-tápegység kisebb és jobb hatásfokú a buck-tápegységnél


Összegezve: a „becsavarható” (retrofit) ledes fényforrásoknál a nagyobb feszültségű ledes modulok alkalmazása segít alacsonyan tartani a veszteséget, és ezzel együtt az üzemi hőmérsékletet. A feszültségnövelő DC/DC-konverter vesztesége nagyjából a fele a feszültségcsökkentő kapcsolásénak. A feszültségnövelő kapcsolás ezenkívül kevesebb alkatrészből áll, jobb a teljesítménytényezője, kisebb a mérete, és jobban használható, ha triakos dimmerrel változtatjuk a fényerőt.

 

A sorozat következő folytatásában egy offline tápegység kondenzátorának feszültség- és áramváltozásait vizsgáljuk meg.

 

www.ti.com/power-ca

 


[1]A szerző az USA-ban tipikus hálózati feszültséghez adott megoldást. Felhívjuk a figyelmet arra, hogy az áramkör alkalmazása az Európában elterjedt 230 V-os hálózati környezetben alapos ellenőrzés és a szükséges áramköri módosítások elvégzése nélkül nem biztonságos. – A szerk. megj.

 

[2]A kondenzátor terheletlenül a tranziens feszültség csúcsértékére töltődik, amelynek tényleges amplitúdóját számos másodlagos, nehezen számba vehető, „szórt” paraméter határozza meg, ezért az értékére még becslést adni sem egyszerű. ‑ A szerk. megj.

 

A cikksorozat korábbi részei:

1. rész

2. rész

3. rész

4. rész

5. rész

6. rész

7. rész

8. rész

9. rész

10. rész

11. rész

12. rész

13. rész

14. rész

15. rész

16. rész

17. rész

18. rész

19. rész

20. rész

21. rész

22. rész

23. rész

24. rész

25. rész

26. rész

27. rész

28. rész

29. rész

30. rész

31. rész

32. rész

33. rész

34. rész

 

 

A szerző

robert_kollmanRobert Kollman, a Texas Instruments műszaki állományának kiemelt tagja, vezető alkalmazástechnikai mérnök. Több mint 30 év tapasztalattal rendelkezik a teljesítményelektronikában és egy ideig induktív alkatrészeket tervezett az 1 W alattitól a csaknem 1 MW-ig terjedő teljesítménytartományú elektronikus áramkörökhöz, egészen a megahertzes kapcsolási frekvenciákig. Robert Kollman a Texas A&M Egyetemen BSEEdiplomát, majd a Déli Metodista Egyetemen Master-fokozatot (MSEE) szerzett. A cikksorozattal kapcsolatban a powertips@list.ti.com címen érhető el.