Teljesítményelektronikai ötletek - 35

Sorozata 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.

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.

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.

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. 

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: