В настоящее время в светотехнике вместо ламп накаливания и люминесцентных ламп все чаще применяют светодиоды благо­даря их замечательным свойствам — энергоэффективности и долговечности. В основном выпускаемые промышленностью светодиодные лампы и фонари можно разделить на две группы. Светильники первой группы рассчитаны на питание от источни­ков постоянного напряжения с низким внутренним сопротивле­нием, в частности, от гальванических или аккумуляторных бата­рей. Светильники второй группы получают питание от простей­ших сетевых блоков питания с балластным конденсатором.

 

Вольт-амперная характеристика светодиода существенно нелинейна, поэтому его, как и обычный диод, нельзя непосредственно подключать к источнику постоянного напряжения. На токоограничительных резисторах бес­полезно расходуется энергия источника питания, что является принципиальным недостатком светильников первой груп­пы. Другой недостаток — ток через светодиоды, а значит, и яркость их свече­ния зависят от их температуры, что осо­бенно заметно при установлении тепло­вого режима после включения. В све­тильниках второй группы через светодиоды могут протекать опасные им­пульсы тока в момент включения и под воздействием импульсных помех, кото­рые могут вывести их из строя задолго до истечения гарантированного срока службы. Общий недостаток светильни­ков обеих групп — зависимость яркости свечения от напряжения питания. Предлагаемое устройство не имеет ни одного из перечисленных недостат­ков. ИИП — стабилизатор тока обеспе­чивает устойчивую яркость свечения, долговечное и эффективное функцио­нирование светодиодной лампы.

 

В статье [1] описан импульсный преобразователь на ШИ-контроллере VIPer22A для питания 17 светодиодов с потребляемым током 20 мА каждый. При этом однотипные светодиоды под­ключены стабилизированного напряжения через токоограничивающий резистор, поэто­му рабочий ток стабилизируется лишь через несколько минут после включе­ния. Несмотря на потребляемую мощ­ность менее 3 Вт, яркость лампы оказа­лась достаточной для освещения лест­ничной площадки у входной двери квар­тиры, где лампа круглосуточно работает и поныне. А для освещения рабочего места у компьютера было решено изго­товить более яркий источник с ИИП — стабилизатором тока, который не тре­бует налаживания, не содержит никаких токоограничивающих резисторов и обеспечивает постоянную яркость лам­пы с момента ее включения независимо от переходных тепловых процессов.

 

Большинство производителей светодиодов утверждают, что их энергоэф­фективность в 10—12 раз выше, чем у ламп накаливания. При токе 0,6 А по­требляемая рассматриваемой свето­диодной лампой мощность составляет примерно 7,5 Вт. Световой поток такой лампы должен быть эквивалентен ана­логичному параметру лампы накалива­ния мощностью 75 Вт. Но поскольку телесный угол излучения в два раза меньше (лампа накаливания излучает свет вкруговую, а светодиодная — толь­ко в одной полусфере), визуально яр­кость лампы из трех светодиодов даже выше, чем 100 Вт лампы накаливания и при прямом "невооруженном взгляде" на светодиодную лампу она "слепит" глаза.

 

Поскольку долговечность светодио­да определяется его тепловым режи­мом и стабильностью рабочего тока, при конструировании лампы особое внимание было уделено этим аспектам. В результате получено устройство схе­ма которого показана на рис. 1.

 

Как и в предыдущем устройстве [1], в новом импульсном преобразователе сетевого напряжения также использо­ван ШИ-контроллер на микросхеме DA1 VIPer22A Но для контроля и стабилиза­ции рабочего тока через мощные светодиоды EL1— EL3 вторичные цепи преоб­разователя дополнены специализиро­ванной микросхемой TSM1052 (DA2) — стабилизатором напряжения и тока [3].

 

Датчик тока нагрузки — резистор R5 — подключен к микросхеме DA2 так, что напряжение на ее входе (вывод 4) имеет отрицательную полярность отно­сительно ее общего провода GND (вы­вод 2). Микросхема DA2 поддерживает ток нагрузки таким, чтобы падение напряжения на резисторе R5 в устано­вившемся режиме составляло 0.2 В. Для выбранного сопротивления R5 0,33 Ома стабилизируемый ток равен 0,2/0,33-0,6 А. Увеличение этого тока вызывает уменьшение напряжения на выходе OUT (вывод 3) микросхемы DA2, при этом увеличивающийся ток через излучающий диод U1.2 вызывает уменьшение эквивалентного сопротив­ления фототранзистора U1.1 и увеличе­ние втекающего тока по выводу обрат­ной связи FB микросхемы DA1. Это повлечет уменьшение длительности коммутирующего импульса в микросхе­ме и уменьшение выходного напряже­ния преобразователя и, соответствен­но, тока светодиодной нагрузки. Анало­гично происходит увеличение выходно­го напряжения преобразователя при снижении тока в светодиодах. Устойчи­вость регулирования тока обеспечива­ет RC-цепь R7C12.

 

Выбранный ток через светодиоды 0,6 А вызывает суммарное падение напряжения на них 12 В. В случае нару­шения контакта в нагрузке или перего­рания одного из светодиодов выходное напряжение преобразователя необхо­димо ограничить значением 13,5 В.

 

Для этого напряжение с резистивного делителя выходного напряжения R10R11 подано на вход Vctr, (вывод 1) микросхемы DA2, которая регулирует выходное напряжение так, чтобы напря­жение на этом выводе поддерживалось на уровне 1,21 В. Рассчитаем параметры делителя Принимаем R10 — 100 кОм, тогда R11 = 100 1,21/(13,5-1.21) = 10 кОм. Стабилизация выходного напряжения на уровне 13.5 В при выходном токе ме­нее 0.6 А происходит аналогично опи­санной выше стабилизации рабочего тока Корректирующая RC-цепь R9C13 обеспечивает требуемую стабильность контура регулирования выходного на­пряжения.

 

Проектирование импульсного транс­форматора Т1 выполнено с помощью программы VIPer Design Software (v.2.24) [4]. Дистрибутив программы можно скачать по адресу [5]. При проектировании были выбраны следующие исходные значения параметров сете­вое напряжение — 176...264 В; пульса­ции выпрямленного напряжения сети — 40 В; ШИ-контроллер — VIPer22A в кор­пусе DIP8; отраженное напряжение — 120 В; выходное напряжение — 15,5 В, выходной ток — 0,7 А магнитопровод трансформатора — Е20/10/5 из мате­риала N27; первичная обмотка из 100 витков индуктивностью 2 мГн. В ре­зультате автоматизированного расчета получено, что для требуемой индуктив­ности 2 мГн первичной обмотки I из 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0.25 мм магнитопровод трансформато­ра необходимо выполнить с зазором 0 19 мм на центральном керне При этом обмотка связи II должна содер­жать 22 витка того же провода диамет­ром 0.05 мм, выходная обмотка — 14 витков диаметром 0.8 мм.

 

Трансформатор Т1 можно изгото­вить либо на отечественном магнитопроводе из феррита 2000НМ типораз­мера Ш5'5, либо перемотать аналогич­ный переходный импульсный транс­форматор Е20/10/5 из компьютерного блока питания AT Для этого трансфор­матор погружают на несколько часов в емкость с растворителем 646 (ацето­ном) и после размягчения покрывающе­го трансформатор лака пошатыванием каркаса с обмотками добиваются его свободного перемещения на магнитопроводе. Затем одновременно с двух сторон прогревают паяльниками места склейки половин магнитопровода и с небольшим усилием разделяют их. Име­ющиеся обмотки сматывают межслойную изоляцию используют повторно.

 

Первичную обмотку секционируют вначале наматывают первую секцию из 50 витков для которой автор использо­вал провод ПЭВТЛ-2-ОС диаметром 0,2 мм, затем — вторичную обмотку жгутом из пяти скрученных вместе таких же проводов после чего наматы вают вторую секцию первичнои. Об­мотки разделяют межслойной изоля­цией. Обмотку связи наматывают последней тем же проводом диамет­ром 0,12 мм Перед склейкой магнитопровода на одной из половин алмаз­ным надфилем укорачивают централь­ный керн, измеряя индуктивность пер­вичной обмотки и добиваясь подгонкой немагнитного зазора ее требуемого значения с максимальным отклонени­ем 5 %. Секции первичной обмотки со­единяют на свободном выводе транс­форматора, который укорачивают и никуда не подключают.

 

Дроссель L1 сетевого фильтра — от маломощных импортных ИИП Он вы­полнен на магнитопроводе Е13/7/4 с двухсекционным каркасом, намотан в два провода (каждый — в своей секции) до заполнения каркаса Диаметр про­вода — 0,12 мм, измеренная индуктив­ность — 60 мГн для каждой обмотки дросселя. Возможно его самостоятель­ное изготовление на броневом магнито­проводе Б14 с двухсекционным карка­сом. Индуктивность дросселя особого значения не имеет, так как она получает­ся достаточной при заполнении всего доступного сечения окна (обмотки долж­ны быть симметричны). Дроссель L2 — импортный серии RC 0608-100, (Radial Choke — радиальный дроссель), индук­тивность— 10 мкГн, наружный диаметр ферритового магнитопровода — 6 мм, высота — 8 мм максимально допусти­мый ток — 1 А. Его можно заменить оте­чественным высокочастотным дроссе­лем ДМ1 индуктивностью 10 мкГн.

 

Все элементы устройства, кроме светодиодов смонтированы на печат­ной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, чертеж кото­рой показан на рис. 2 Микросхема DA2 в корпусе SOT23-6 для поверхностного монтажа установлена на плате со сто­роны печатных проводников. Внешний вид платы с деталями иллюстрирует рис. 3 Светоизлучающии блок лампы показан на рис. 4

 

Светодиодная лампа не требует на­лаживания при исправных элементах и отсутствии ошибок в монтаже. Но перед первым включением светодиодов необ­ходимо проверить значение стабилизи­руемого тока. Для этого вместо све­тодиодов включают мощный стабилит­рон на теплоотводе, например Д815А. Измеренный ток через него должен находиться в пределах 550 .650 мА При необходимости этого можно до­биться. подбирая резистор R5.

 

Если стабилизация тока или напря­жения отсутствует, локализуют дефект­ный элемент. В разрыв между резисто­ром R6 и анодом излучающего диода оптрона U1 2 (вывод 1) временно вклю­чают в той же полярности маломощный светодиод например АЛ307БМ К кон­денсатору СЮ преобразователя подключают регулируемый стабилизиро­ванный источник питания.

 

Не подключая нагрузку, плавно уве­личивают напряжение на выходе регупируемого источника питания от 5 до 15 В с одновременным контролем циф­ровым вольтметром напряжения на выводе 1 микросхемы DA2. При уве­личении контролируемого напряжения свыше 1,2 В светодиод должен заго­раться. при снижении — гаснуть. Если этого не происходит, определяют де­фектный элемент в контролируемой цепи либо отсутствие контакта. Затем в качестве нагрузки к выходу преобразователя включают резистор 10 Ом мощностью 10 Вт, который можно собрать, например, из пяти последо­вательно включенных резисторов МЛТ-2 по 2 Ома Снова увеличивают напряже­ние на выходе регулируемого источни­ка питания от 5 до 10 В с одновремен­ным контролем цифровым вольтмет­ром напряжения на выводе 4 микросхе­мы DA2 относительно общего провода выходной цепи. При увеличении конт­ролируемого напряжения свыше 0.2 В светодиод должен загораться, при сни­жении — гаснуть, в противном случае ищут дефектный элемент в контроли­руемой цепи либо непропаянный кон­такт. После обнаружения причины не­исправности дефект устраняют, вре­менно установленный маломощный светодиод удаляют.

 

Отсутствие стабилизации тока или напряжения даже после проведения перечисленных операций будет указы­вать на дефекты в первичной цепи пре­образователя (оптрон U1. резистор R3, конденсатор С5). После замены неис­правных элементов устройство обычно начинает функционировать нормально.

 

В заключение необходимо еще раз убедиться, что ток через светодиоды на­ходится в пределах 550...650 мА. При таком токе светодиоды работают в ща­дящем электрическом и тепловом ре­жимах с максимальной долговечностью.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Косенко С. Сетевая светодиодная лампа с блоком питания на микросхеме VIPer22A. - Радио, 2010. №4, с 21-23.

2 ASMT-Mx2x/ASMT-MxEx MoonstoneTM 3W Power LED Light Source Avago technologies Data Sheet. — <http://www.farnell.com/datasheets/333206.pdf>

3. TSM1052 Constant voltage and constant current controller for battery chargers and adapters — <http://www.st.com/stonline/ products/literature/ds 13272.pdf>

Косенко С. Эволюция обратноходовых импульсных ИП. — Радио. 2002. № 6. с. 43. 44; № 7, с. 47, 48: № 8, с. 32—35; № 9. с. 24—26

VIPer Design Software v2.24. — <http://www.st.com/stonline/products/families/power_management/ac_dc_conversion/high_ voltage_converters/related_info/vipfm5.htm#p2>