Vítejte, dnes je
úterý
23.
duben
2024
Odborný časopis a portál zaměřený na vývoj a výrobu elektroniky Určite ste sa už stretli zo situáciou, keď by sa hodil zdroj konštantného prúdu, či už na napájanie výkonových LED, alebo nabíjanie akumulátorov.
V tomto článku je opísané jednoduché riešenie použitím LED budiča s rýchlym PWM vstupom (na reguláciu výstupného prúdu), ktorý pracuje v rozsahu napájacích napätí od 8 do 33 V a generuje výstupný prúd 0,1 až 0,53 A. Tento článok zhŕňa praktickú realizáciu a namerané výsledky tohto nízkonákladového budiča.
Jadrom LED budiča (obr. 1) je obvod TS19376 v puzdre SOT89-5 z dielne firmy Taiwan Semiconductor, ktorý je postavený na topológii Buck (znižujúci menič). Vďaka použitému typu regulácie (hysteretic) nepotrebuje kompenzáciu a dosahuje relatívne vysokú účinnosť nad 90 %. Prúd do záťaže (schéma na obr. 1) je možné nastaviť voľbou rezistorov R1 až R3 (s pomerom 0,13 Ω/1 A).
Hysteretická regulácia je opísaná v [1] a v stručnom priblížení, integrovaný obvod IO1 prostredníctvom integrovaného spínača (spínací tranzistor v IO1) pripája napájacie napätie cez indukčnosť L1 do záťaže (LED reťazca) a súbežne monitoruje prúd indukčnosťou (meraním úbytku napätia na R1 II R2 II R3), ktorý lineárne narastá. Ak tento prúd dosiahne referenčnú hodnotu 149,5 mV (130 mV + + Vcsn_hys [15 % = 19,5 mV]), výkonový spínač sa rozpojí a prúd indukčnosťou začne klesať, pokým nedosiahne úroveň 110,5 mV (130 mV – Vcsn_hys [15 % = 19,5 mV]), keď sa výkonový spínač opätovne zopne a tento proces sa cyklicky opakuje, ako je znázornené na obr. 2.
Frekvencia spínania je daná výstupným prúdom ILED, vstupným napätím Vcc, výstupným napätím a hodnotou indukčnosti L1.
Riadenie intenzity je možné (stredného výstupného prúdu) prostredníctvom PWM, pulzne modulovaného signálu. Tento spôsob regulácie je populárny a jednoducho realizovateľný, či už na báze mikroprocesora, alebo zapojenia, napríklad s časovačom 555. PWM signál sa pripája k PWM vstupu, pričom hodnoty logických úrovní sú Lo < 0,3 V, Hi > 2 V (CMOS). Obvod dokáže pracovať s relatívne vysokými frekvenciami PWM signálu a nie je problém realizovať rýchle PWM rádovo v kHz s > 8-bitovým rozlíšením.
Pri nezapojenom PWM vstupe budič dodáva plný prúd do záťaže (zabudovaný pull-up rezistor na PWM vstupe). Frekvenciu PWM je vhodné voliť nad 100 Hz, keďže náš zrak pri nižších frekvenciách pozoruje blikanie.
IO1 obvod potrebuje chladiacu plochu, ktorá je vytvorená na spodnej strane PCB (prostredníctvom prekovených otvorov).
Vstupný kondenzátor C1 musí mať nízku hodnotu ESR, keďže vyrovnáva prúdové špičky pri spínaní obvodu. Odporúčaná hodnota C1 je 4,7 až 100 μF a je vhodné voliť keramický kondenzátor z materiálu X7R alebo menej náročného X5R. Pri návrhu je potrebné tento kondenzátor umiestniť čo najbližšie k vývodom obvodu TS19376. Indukčnosť L1 sa volí v rozsahu 47–120 μH, pričom nižšie hodnoty sú vhodné pre vyššie výstupné prúdy a vyššie hodnoty L1 pre nízke prúdy, keď sa eliminuje chyba spôsobená oneskorením spínacieho obvodu. Je potrebné optimálne rozložiť komponenty na DPS pre dosiahnutie čo najmenšej spínacej slučky, takisto dodržať aj pripojenie začiatku vinutia L1 k vývodu SW (IO1) pre potlačenie EMI (elektromagnetickej interferencie) generovanej spínacími procesmi v LED budiči.
Na mieste D1 je vhodné použiť Schottkyho diódu s nízkym záverným prúdom (pozor na pracovnú teplotu) a rýchlym zotavovacím časom. Tým sa vyhnúť napäťovým prekmitom pri zotavovaní diódy v závernom smere v momente, keď sa vypína výkonový spínač v IO1. Priepustný prúd je potrebné voliť s rezervou nad maximálny prúd L1 indukčnosťou (aspoň 30 % nad ILED). Pre tento prípad bola použitá dióda D1 SS16 (1 A/60 V), taktiež od výrobcu Taiwan Semiconductor.
Zvlnenie výstupného prúdu na výstupe je možné potlačiť zvýšením hodnoty kondenzátora C2, paralelne pripojeného k LED diódovému reťazcu. Treba si však uvedomiť, že tento kondenzátor ovplyvňuje maximálnu PWM frekvenciu, čím vyššia je hodnota C2, tým nižšia je maximálna hodnota PWM frekvencie.
TS19376 je vybavený tepelnou poistkou, ktorá vypína obvod pri dosiahnutí teploty 150 °C na čipe a opätovne ho spúšťa pri poklese teploty pod 115 °C. Táto ochrana zabezpečí bezpečnú prevádzkovú teplotu, a tým sa vyhneme hroziacemu požiaru. V prípade potreby je vhodné budič prilepiť obojstrannou teplovodivou lepiacou páskou (napr. Bergquist Bond Ply) k hliníkovému chladiču. Ak sú vyžadované vyššie prúdy (do 1 A), je potrebné použiť inú vhodnú indukčnosť L1.
LED budič je možné rozšíriť o ďalšie obvody ako EMI filter, ochranu proti prepólovaniu a pod., toto všetko záleží od konkrétnej aplikácie. Popisovaný budič je skonštruovaný na obojstrannej doske plošných spojov (FR4) hrúbky 1 mm rozmerov 16 × 16 mm.
Typické aplikácie LED budiča sú napájanie výkonových LED, nabíjacie obvody, zdroje konštantného prúdu s vysokou účinnosťou a množstvo ďalších. Počet LED diód v sérii sa volí na základe vstupného napätia a ako vidieť z grafov účinností na obr. 4, čím bližšie je napätie reťazca LED diód k napájaciemu napätiu, tým vyššia je účinnosť budiča. Pre 12 V napájanie je vhodné použiť 3 LED v sérii (ak VF ~ 3 V). Merania boli realizované na automatizovanom meracom pracovisku spoločnosti FuturoLighting pri izbovej teplote.
LED budič s voliteľnou hodnotou prúdu od 0,1 do 0,5 A je možné kúpiť priamo v e-shope firmy FuturoLighting [2]. Obvod TS19376 a diódu SS16 v balných množstvách dodáva na Slovensku spoločnosť Microdis Electronics [3], ktorá je autorizovaným zástupcom firmy Taiwan Semiconductor.
Na záver by som sa chcel poďakovať pánovi Bilikovi zo spoločnosti Würth Elektronik a pánovi Regulimu zo spoločnosti Microdis Electronics za ich ústretovosť a podporu pri realizácii tohto projektu.
IO1 TS19376, Taiwan semi
C1 4u7/50 V (X7R, SMD 1210)
C2 1uF/50 V (X7R, SMD1206)
D1 SS16, Taiwan semi
L1 Wurth 74404064101
R1 0,39 Ohm (SMD 0805)
PCB FuturoLighting 376, Rev.O
