Teljesítményelektronikai ötletek – 6

A sorozat e havi folytatásában a szerző arra mutat példát, hogyan lehet az áramköri topológia célszerű megválasztásával olyan ledmeghajtót építeni, amely egyszerre optimális a hatásfok és a teljesítménytényező szempontjából.

Nagy hatásfokú ledmeghajtó

Miközben még évek választanak el attól, hogy valóban minden követelményt kielégítő, izzólámpa helyére csavarható ledes fényforrás álljon rendelkezésünkre, egyre erősödő „mozgás” tapasztalható a ledeknek az építészetben alkalmazott világításmegoldásai terén, amelyek hajtóerejét a ledek nagyobb megbízhatósága és a lehetséges energiamegtakarítás adja. Éppúgy, mint bármilyen más elektronika esetében, most is tápegységre van szükségünk, amely az energiahálózatra kapcsolva abból a ledek számára felhasználható formában állít elő villamos teljesítményt.

A közvilágítási alkalmazás egy lehetséges konfigurációja, ha 80 ledet kapcsolunk sorba, amelyek ezen a módon egy 300　V/0,35　A-es terhelést alkotnak. A tápegység-topológia kiválasztásánál egyebek közt két fontos szempontot kell érvényesíteni: a szigetelt kivitelt és a teljesítménytényező korrekcióját (Power Factor Correction – PFC). A szigetelt kivitel jelentős biztonságtechnikai megfontolásokat igényel, mivel az érintésvédelmet úgy kell megvalósítani, hogy ne bonyolítsa feleslegesen a tápegységet. Ebben az alkalmazásban, ahol a ledláncon amúgy is nagy feszültség van, úgy ítélhetjük meg, hogy a szigetelt kivitelnek önmagában nincs sok értelme. A PFC-re ellenben szükség van, különösen az európai piacon, ahol a világítástechnikában már 25　W-tól felfelé előírás a használata.

Ebben az alkalmazásban a probléma megoldására háromféle topológiát lehet esélyes jelöltként számításba venni: a feszültségcsökkentő (buck), az átmeneti üzemmódú flyback (Transition Mode – TM) és az átmeneti üzemmódú, primer oldalon egytekercses transzformátorú (Single Ended Primary Inductor Converter – SEPIC) konfigurációt. A buck-konfiguráció – hogy megfeleljen a harmonikus áramra vonatkozó követleményeknek – akkor használható nagyon hatékonyan, amíg a ledlánc feszültsége nagyságrendileg 80　V alatt marad. Ennél nagyobb feszültségeknél, megítélésünk szerint, a buck-konverter nem megvalósítható. Eszerint tehát a flyback és a SEPIC közül kell választanunk. A SEPIC-nek az az előnye, hogy határolja a teljesítménykapcsoló félvezető hullámformáját, amellyel alacsonyabb feszültségű, következésképpen nagyobb hatásfokú alkatrészek használatát is lehetővé teszi. Ebben az alkalmazásban – becslésünk szerint – ez kb. 2% hatásfokjavulást eredményezhet. Ezenkívül, mivel a SEPIC jelalakjában kevesebb a csillapodó rezgő összetevő, az elektromágneses interferencia-(EMI)-szűrést könnyebb megoldani. Az 1. ábra a javasolt kapcsolási rajzot mutatja. Az áramkör egy feszültségnövelő TM PFC-vezérlőt használ a bemeneti áramjelalak formálására. A bekapcsolás után, amikor az elektronika még nem kap tápfeszültséget, a C6 töltődésével kezdődik. Működés közben a vezérlő tápfeszültségét a SEPIC-transzformátor segédtekercse állítja elő. Az aránylag nagy értékű kimeneti kondenzátor a led áramának hullámosságát az egyenáramú komponensnek kb. 20%-ára korlátozza. Zárójelben jegyezzük meg, hogy ennek ellenére a váltakozó fluxus és a váltakozó áramok nagyon nagy értékűek a SEPIC transzformátorában, ezért a nagyfrekvenciás tekercsveszteségek csökkentésére a tekercselést sodrott (litze) huzalból kell készíteni és alacsony vasveszteségű vasmagot kell használni.

1. ábra Egyszerű ledmeghajtóként működő SEPIC-konverter

A 2. és 3. ábra a laboratóriumi mérési eredményeket mutatja az 1. ábra alapján épített prototípuson. A hatásfok nagyon nagy, az európai hálózati feszültségtartományban eléri a 92%-ot is. Ezt a kiváló hatásfokot azzal értük el, hogy csökkentettük a teljesítményfélvezető hullámalakjainak „lengő” összetevőit. Amint a 3. ábrán látható áramjelalakból is sejthető, a teljesítmény-tényező is nagyon jó (meghaladja a 96%-ot). Érdekes módon az áramjelalak nem tiszta szinusz, hanem a nullátmenet körül meredekebb. Ez azért van, mert az eszköz nem a bemeneti áramot méri, hanem a kapcsoló áramát. Viszont ez a hullámforma elég jó ahhoz, hogy még a harmonikus áramokra vonatkozó szigorú európai követelményeket is teljesítse.

2. ábra A SEPIC hatásfoka és teljesítménytényezője egyaránt igen jó

3. ábra A hálózati terhelőáram könnyedén teljesíti az EN61000-3-2 Class C szabványt

Köszönet illeti Brian Kinget a laboratóriumi felvételek elkészítéséért.

A következő folytatásban azzal foglalkozunk, hogyan lehet a tápegység zaját a szórt spektrumú eljárások használatával csökkenteni.

www.power.ti.com

http://www.ti.com/ww/hu/cikkek-szakirodalom.html

A cikksorozat korábbi részei: