elektrOnline - cimlap távjavítás aprók webáruház
Híreink:

hírek:

 

Hírrovatainkról:

Hírrovataink nyitottak minden elektronikai és rádióamatőr témájú információra.
A címlapon mindig az adott kategória legfrissebb híre kap helyet, a régebbiek elérhetőek maradnak a kategóriánkénti részletes rovatokban.

Híroldalunkon minden információ megjelentetése ingyenes, az oldalak napi szerkesztésűek.

A híroldalra szánt információkat e-mailben fogadjuk.

 
kattintson a hirdetésre!
2014-12-19
Váltakozó áramú (AC) alkalmazásokban lévő, világítási célú LED diódák táplálása soros, lineáris áramerősség szabályzóval

CL8800-as integrált áramkör a Microchip (Supertex) cégtől



A világítástechnikai piacot szemlélve manapság egyre jobban megfigyelhető, hogy a hagyományos izzókat és fénycsöveket hatékony LED diódákon alapuló megoldásokkal helyettesítik. Ennek a folyamatnak kedvez a folyamatos műszaki fejlődés, valamint a nagy hatékonyságú, energiatakarékos fényforrások alkalmazását szorgalmazó jogi szabályozás is. Tisztában kell lennünk ugyanis azzal, hogy egy hagyományos izzó az általa leadott energiának csak alig 8%-át alakítja át hasznos, látható fénnyé. Az energia 71%-a számunkra kedvezőtlen infravörös sugárzássá konvertálódik, a hőfejlődéssel járó jelenségek pedig 19%-ot emésztenek föl. Ezzel szemben, egy LED dióda esetében a leadott energia 35%-a (vagyis több mint négyszerese) alakul át látható fénnyé. Az energia fennmaradó része hőveszteséget képez (itt nincs infravörös sugárzás). Ebből következően a világítási rendszer tervezőjének a legnagyobb kihívást főként a megfelelő és hatékony hőelvezetés valamint az optimális tápfeszültség-ellátás áramköreinek megtervezése jelenti.


LED dióda egy olyan elem, amelynek állandó erősségű áramra van szüksége a stabil fénysugár biztosításához. A fényerősség változtatása az impulzusszélességi modulációs (PWM) tényező szabályozásával történik. Ebből következik, hogy a jó minőségű tápegységekben viszonylag drága – feszültséget csökkentő - impulzus konverterek dominálnak (topologia buck).
Egy ilyen megoldás elvi sémáját szemlélteti az 1. ábra.



Sajnos, az ilyen tápellátó áramkörök helyes funkcionálásának időtartamát a bennük (szűrési céllal) alkalmazott elektrolit-kondenzátorok limitált tartóssága korlátozza. Az ugyanebből a szűrési célból szükségszerűen jelenlévő indukciós elemek (tekercsek) szintén okoznak némi korlátozást, de legalábbis meghiúsítják a tápegység kívánt szintű miniatürizálását.


A szerényebb költségű fénytechnikai applikációk többsége sok darab kicsi méretű LED-ből áll, és ezeket egyszerűbb áramszabályozási módszer jellemzi. Vezérlési módjukat tekintve ezek a kisfeszültségű diódák nagyobb toleranciával bírnak, mint az egyenkénti, nagy fényerejű LED-ek. Ezt a tényt a LED izzók gyártói ki is használják a tápáramkör maximális leegyszerűsítése érdekében oly módon, hogy a tápegységet gyakorlatilag az áramforráshoz helyezik el, ahol a szabályozó elem egy, a fogyasztóhoz sorosan kötött ellenállás. Váltakozó áramú hálózatban üzemelő fénytechnikai alkalmazásoknál sajnos fennmarad a stroboszkóp effektus problematikája (LED-ek villogása a tápfeszültség frekvenciájával), ami csapnivaló fényminőséget okoz és energetikailag is alig hatékony (a teljesítmény elvész a soros ellenálláson). Általánosságban elmondható, hogy a soros áramerőség-szabályozók jól megfelelnek kisfeszültségű világítási alkalmazásokban állandó áramerősségű táplálás esetén, mert szerény hatékonyságukat nagymértékben rekompenzálják a kicsi méretek és a szerkezetek egyszerűsége. Ennek ellenére tudjuk, hogy létezik módszer ehhez hasonló megoldásra váltakozó áramú hálózatból közvetlenül táplált alkalmazások esetén is.


Az ötlet alapelve a következő: Elfogadva, hogy az effektív feszültségesés értéke egy szimpla LED-en kb. 3,1V, képzeljük el, hogy egy sorosan kötött LED diódaláncot (pl. 100 db-osat) szakaszokra osztunk. Kiegyenlített hálózati feszültséggel rendelkezve ezek úgy működnek, hogy egy adott időpillanatban ezekből közelítőleg annyi világít, amennyire a hálózati effektív feszültség pillanatnyi értéke elegendő. Például, ha ennek a feszültségnek az értéke eléri a 125V-ot, akkor 40 db LED (125/3,1) fog világítani, a 310V-os csúcsértéknél pedig már 100 db. Ezt követően a tápfeszültség effektív értékének csökkenésével együtt a diódák sorban kialszanak, majd a ciklus indul elölről. Ebben az esetben a soros szabályozón fellépő teljesítményveszteségek nem nagyok, ami magas szintű energetikai hatásfokot eredményez (elméletileg 90%-ig is terjedhet), és a stroboszkóp effektus is jelentéktelen.


Ezt az elvet hasznosítja a 2. ábrán bemutatott CL8800-as szekvenciális, lineáris áramszabályzó a Microchip cégtől.




2. ábra: CL8800 áramkör egyszerűsített folyamatábrája

Kifejezetten 230V-os, 50Hz frekvenciájú váltakozó áramú hálózatra tervezték és használatával a LED diódalánc 6 szakaszra osztható. Van tehát áramkörbe implementált 6 db áramszabályzónk, melyből mindegyik más tápfeszültség tartományban kapcsolódik be. Az első (TAP1) akkor, amikor a tápfeszültség értéke meghaladja a hozzátartozó LED-ek összesített átvezetési feszültség értékét. Amikor a tápfeszültség értéke annyira megnövekedik, hogy elegendő lesz a következő diódaszakasz „begyújtására”, akkor a TAP1 szabályzó kikapcsolódik, és az összekötött 1. és 2. szakasz vezérlését átveszi a TAP2 szabályzó, amely ezen kívül az üzemi áramerősséget is megnöveli. A tápfeszültség további növekedésével bekapcsolódnak a sorban következő szabályzók, az előttük lévők pedig kikapcsolódnak, vagyis a tápfeszültség emelkedésével nő a láncot képező, egyidejűleg világító LED-ek száma. Mindegyik szabályzó független áramszabályzóval rendelkezi (TAP1: 60mA-től; TAP3-TAP6:115 mA-ig). Az áramerősség értékéről egy megfelelő értékű Rset. ellenállás dönt. Ez a jellemző teszi lehetővé az egész áramkör feszültség-áram karakterisztikájának megformálását – 3. ábra – aminek révén csökkenthetőek az áramköri teljesítmény-veszteségek.




3. ábra: LED diódalánc áramerősség változása

A CL8800-as szabályzó 13W-ot elérő teljesítmény leadására képes (hűtőborda alkalmazásával). Az áramkör hatásfoka eléri a 85%-ot. Maga a CL8800-as áramkör egy kisméretű QFN33 tokozásban van elhelyezve. A bemutatott tápegység legnagyobb alkatrésze a zavarszűrő (ami nincs befolyással az elektrolit kondenzátorok működési idejére). A gyártó javasolja, hogy alkalmazzanak hozzá varisztorokat vagy védődiódákat a potenciális túlfeszültségek kisimítására. További külső, RC részegységek alkalmazásával a CL8800 fényerősség szabályzóként együtt tud működni hagyományos, triak alapú, integrált elsötétítő egységekkel (phase dimming). Ezen túlmenően a CL8800-as soros szabályzó tökéletes egység olyan tervezők számára, akik a hagyományos fényforrásokat (izzók, fénycsövek) LED alapú, energiatakarékos megoldásokkal kívánják kiváltani. Az egység helyes működéséhez szükséges külső komponensek minimális mennyisége miatt rendkívül kedvező megoldást jelent úgy költségek, mint hatékonyság szempontjából.


A Microchip (Supertex) itt ismertetett, valamint további termékeit megtalálják a cég hivatalos forgalmazójánál, a TME Kft-nél.


Paweł Sióda okl. mérnök - TME

Kapcsolódó link