Диплом. Диплом Ионов А.В. 1. Теоретическая часть
 Скачать 1.71 Mb.
|
|
1.12 Стабилизаторы напряжения и тока в питании светодиодов В радиоэлектронике чаще всего используются, два типа стабилизаторов: линейные и импульсные. 1.12.1 Линейные стабилизаторы Линейные стабилизаторы действуют по принципу резистора: ограничивают протекающий через ключевой элемент (транзистор) ток так, чтобы напряжение (или ток) в нагрузке оставались постоянными. При этом часть полезной мощности теряется (выделяется в виде тепла на регулирующем транзисторе). В некоторых случаях эта "часть" может быть весьма значительной. Например, при входном напряжении 10 В и выходном 2,5 В падение напряжения на транзисторе составляет 7,5 В, т.е. 75% энергии источника питания тратится на паразитный разогрев транзистора и только 25% выполняют полезную работу. Еще хуже обстоит дело с регулируемыми источниками питания, когда для большего диапазона изменения выходного напряжения разработчик пытается сделать входное напряжение больше. В таких случаях при минимальном выходном напряжении КПД источника питания может снижаться до единиц процента Резистор является элементом, ограничивающий ток, протекающий через светодиод. Но сопротивление удобно применять, если питающее напряжение постоянно. На практике часто случается, что напряжение не стабильно, например, напряжение аккумуляторной батареи уменьшается при ее разряде довольно в широких приделах. В этом случае широко применяют линейные стабилизаторы тока. Простейший линейный стабилизатор тока можно собрать на широко распространенных микросхемах типа КР142ЕН12(А), LM317 (и их многочисленных аналогах), как показано на Рисунке 1.12.1.  Рисунок 1.12.1. Схема простейшего линейного стабилизатора тока Резистор R выбирается в пределах 0,25÷125 Ом, при этом ток через светодиод определяется выражением Ivd= 1,25/R. Схема построения таких стабилизаторов тока отличается простотой (микросхема и один резистор), компактностью, надежностью и дешевизной. Надежность дополнительно обусловлена развитой системой защиты от перегрузок и перегрева, встроенной в микросхему стабилизатора. Для стабилизации токов от 350 мА и выше можно использовать и более мощные микросхемы линейных регуляторов с малым падением напряжения серий 1083, 1084, 1085 различных производителей либо отечественные аналоги КР142EH22A / 24А/ 26А. Но у линейных стабилизаторов тока есть существенные недостатки: ♦низкий КПД; ♦большие потери сильный нагрев при регулировки больших токов ♦необходимость в радиаторе для охлаждения при мощности > 200-300 мВт 1.12.2 Импульсные стабилизаторы Из-за недостатков линейных стабилизаторов применяются импульсные преобразователи и стабилизаторы для питания светодиодов и светодиодных модулей. На рисунке 1.11.2 представлены внешний вид светодиодного модуля и вторичной оптики. Следует отметить, что светодиоды и преобразователь питания конструктивно выполнены на единой плате.  Рисунок 1.11.2. Внешний вид светодиодного модуля и вторичной оптики Импульсные стабилизаторы, способны трансформировать напряжение в ток и наоборот. КПД такого источника тока, независимо от величины входного (выходного) напряжения, практически постоянен и составляет, в зависимости от схемы и используемых комплектующих, до 80...95%. Благодаря столь высокому КПД облегчается тепловой режим устройства: его компоненты практически не греются, и там, где раньше приходилось использовать громоздкие радиаторы-теплоотводы и вентиляторы, удается обойтись одной маленькой пластинкой или вообще "голым" корпусом транзистора. Уменьшается также потребляемый устройством ток, что очень важно при автономном режиме работы. Чем выше рабочая частота преобразователя, тем меньших размеров могут быть его самые габаритные детали — катушка индуктивности (дроссель или трансформатор) и фильтрующие конденсаторы. Образно говоря, за 1 такт сердечник дросселя или трансформатора может накопить небольшое количество энергии определенной величины, и объем не зависит от рабочей частоты. То есть, повысив рабочую частоту, в 10 раз, можно за то же время "передать" в нагрузку в 10 раз большую мощность при том же размере катушки и сердечника. Поэтому, если обычный 50-герцовый трансформатор мощностью 270 Вт (ТС-270) весит более 5 кг и размером с 3-литровую банку, то импульсный трансформатор на 300 Вт, работающий на частоте 30 кГц, всего лишь с 3-4 спичечных коробка. К сожалению, частоту нельзя повышать бесконечно: для большинства недорогих ключевых транзисторов максимальная рабочая частота не превышает 100...300 кГц, а у ферритовых сердечников на частотах выше 30...100 кГц сильно увеличиваются потери из-за вихревых токов внутри сердечника. Поэтому оптимальная рабочая частота для импульсного источника тока — 30...50 кГц. Она достаточно высока для того, чтобы человек не слышал писка при его работе (максимальная слышимая частота не превышает 20 кГц), и, в то же время, потери на такой частоте еще достаточно малы. Однако у импульсных стабилизаторов есть и недостатки. Главный из них кроется в самом принципе действия. Стабилизатор работает в импульсном режиме и на довольно высокой частоте, поэтому он излучает весьма мощные электромагнитные (радиоволны) и электрические (пульсации напряжения) помехи. Избавиться от них очень сложно. Поэтому применять импульсные стабилизаторы целесообразно только там, где нагрузка потребляет значительный ток или мощность (более 10...20 Вт), есть большая разница между входным и выходным напряжениями (минимум в 2...5 раз), а нагрузка сравнительно нечувствительна к помехам и пульсациям (заряжаемый аккумулятор, лампочка, электромотор и др.). Импульсный стабилизатор состоит из пяти частей: - Схемы управления; - Ключевого транзистора; - Дросселя (катушки индуктивности с магнитным сердечником, чаще ферритовым); - Фильтрующих конденсаторов; - Обратноходового диода, в качестве которого для небольшого увеличения КПД (и значительного уменьшения нагрева корпуса) можно использовать мощный транзистор. В зависимости от того, как соединены эти элементы, импульсный источник питания может повышать, понижать, а также инвертировать полярность напряжения. Также известны трансформаторные импульсные преобразователи, но они менее распространены и используются, в основном, там, где необходима гальваническая развязка (блоки питания и зарядные устройства с питанием от сети) или где нужно значительно (более чем в 3...10 раз) повысить напряжение. Схема управления современных импульсных источников собирают на базе специализированных микросхем. Они сравнительно дешевы, обладают великолепными характеристиками и практически не требуют подключения внешних элементов и кропотливой настройки. Для управления полевыми транзисторами необходимы микросхемы с мощными выходами: для достижения максимального КПД транзистор должен быстро открываться (за время порядка сотен наносекунд), а у полевых транзисторов емкость затвора очень велика. Поэтому микросхема-драйвер полевого транзистора должна иметь полу мостовой выход, способный обеспечить ток 0,2...2,0 А. Чем выше рабочая частота, тем большим должен быть выходной ток. Этот ток потребляется транзистором кратковременно (пока не зарядится или разрядится емкость затвора), а все остальное время ток не потребляется. Поэтому более мощный драйвер не приведет к увеличению энергопотребления, а наоборот, КПД схемы только возрастет Схема повышающего преобразователя напряжения показана на рисунке 1.11.3 а. Во время рабочего хода, когда транзистор открыт, катушка запасает энергию. Ее можно представить как батарейку (конденсатор), положительный полюс которой — вверху схемы «Рис.1.11.3 б». Диод при этом закрыт, постоянное напряжение на выходе поддерживается конденсатором. После запирания транзистора полярность напряжения на выводах катушки из-за ЭДС самоиндукции меняется на противоположную, она суммируется с напряжением питания и через открывшийся диод подзаряжает конденсатор « Рис.1.11.3 в ». Таким способом, можно получить сколь угодно большое напряжение, но обычно оно не превышает несколько сотен вольт из-за потерь, как в самой катушке, так и в других элементах схемы.  Рисунок.1.11.3 Схема повышающего преобразователя При сборке такой схемы нужно уделить особое внимание надежности элементов и монтажа. Транзистор, конденсатор и диод в этой схеме должны быть рассчитаны на максимальное выходное напряжение плюс 10...20 В запаса. 1.13 Конструкция импульсного светодиодного драйвера При создании светодиодного светильника можно использовать готовый драйвер. Сложность конструкции драйвера напрямую зависит от мощности используемых светодиодов, дополнительных функций, требуемых от драйвера, а также от требований к габаритным размерам. Был выбран микроконтроллер компании Clare типа СРС9909 «Рис. 1.13.1» Микросхема CPC9909 представляет собой микроконтроллер импульсного преобразователя, выполненного в компактном корпусе.  Рисунок 1.13.1 Расположение выводов микросхемы СРС9909 Задача создания драйвера на базе СРС9909 «Рис.1.13.2» сводится к расчету номиналов компонентов, образующих драйвер. Допускается питание СРС9909 непосредственно от высокого напряжения (питание драйвера 8...550 В). Это возможно за счет встроенного стабилизатора напряжения, что упрощает и удешевляет схему драйвера, а также делает его более компактным. Микросхема СРС9909 сохраняет работоспособность в широком диапазоне температур -55...+85 °С.  Рисунок 1.13.2 Светодиодный драйвер CPC9909 с питанием от переменного напряжения |