Модель драйвера світлодіодів

ВСТУП 

Невід’ємна складова світлодіодних ламп– драйвер світлодіодів – пристрій перетворення змінної напруги в струм, що протікає через світлодіоди .
Ідеальний драйвер світлодіодів – драйвер, що підтримує постійне значення струму, що протікає через світлодіоди. Переваги безтрансформаторних драйверів світлодіодів – відсутність імпульсного AC/DC- або DC/DC-перетворювача і відповідно – котушки індуктивності або трансформатора, а також громіздкого перешкододавлюючого фільтра, що дозволяє знизити вартість та габарити світлодіодної лампи.
Ряд компаній випускає мікросхеми, орієнтовані створення недорогих неізольованих безтрансформаторних джерел живлення світлодіодів, призначених до застосування у різних додатках. У тому числі Integrated Crystal Technology Inc. (DR3062) Supertex Inc. (CL8800/01), Texas Instruments (TPS92411) та інші. Ці мікросхеми забезпечують типове значення PF >0.9, ККД – понад 80% та THD – менше 25%.
Провідні компанії-виробники вкрай зацікавлені у просуванні своєї продукції ринку і тому пропонують розробникам всебічну допомогу у створенні кінцевих виробів. Так, на web-сайтах багатьох компаній можна знайти програмне забезпечення (ПЗ) для розробки драйверів світлодіодів із застосуванням мікросхем, що випускаються цими виробниками. Як правило, використання ПЗ дозволяє виконати розрахунок номінальних значень компонентів драйвера, потужності, що споживається його компонентами (вихідним транзистором, діодом, котушкою індуктивності тощо), а також розрахунок ККД драйвера. Найчастіше можна ознайомитися з результатами моделювання схеми, що полегшує розуміння особливостей роботи драйвера в різних режимах.
На web-сайті компанії Texas Instruments можна знайти програмні та апаратні засоби, використання яких дозволяє отримати попередню оцінку вихідних характеристик та суттєво прискорити та спростити розробку драйвера світлодіодів, створеного на базі мікросхеми TPS92411. Це програми у форматі Excel для розрахунку номінальних значень компонентів та параметрів драйвера світлодіодів з використанням мікросхеми TPS92411. Є демонстраційні плати (evaluation board module) драйверів світлодіодів для напруги 230 і 120 В . У документації на ці плати наведено електричні схеми, характеристики драйверів, а також осцилограми, що пояснюють принцип їхньої роботи. Параметри драйвера світлодіодів для напруги 230 В наведені в таблиці .
Нині використання програм SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis – програм моделювання з орієнтацією на інтегральні схеми) стало невід’ємною частиною розробки як інтегральних схем, а й пристроїв, містять ІМС. Не секрет, що використання програм моделювання при розробці нових аналогових, цифрових та аналого-цифрових пристроїв дозволяє скоротити терміни розробки, налагодження та тестування закінчених будівель. Цілком очевидно, що схему простіше моделювати з використанням персонального комп’ютера, ніж макетувати з паяльником у руках. Крім того, можливість у процесі моделювання виконати перевірку характеристик моделі в широкому діапазоні зміни параметрів компонентів, температури навколишнього середовища тощо дозволяє прискорити розробку схем.
Тому не дивно, що компанія Texas Instruments надає також PSpice-модель мікросхеми TPS92411 (TPS92411 Simulation Model) та створену на її базі модель драйвера світлодіодів, призначеного для роботи при мережній напрузі 120 В.

Параметри драйвера світлодіодів з використанням ІМС TPS92411

У статті наводяться результати моделювання драйвера безтрансформаторного світлодіодів, побудованого на базі мікросхеми TPS92411. Як програма схемотехнічного моделювання використовувалася програма PSpice A/D OrCAD v.16.5.

ІМС TPS92411

Анонсована мікросхема TPS92411 є, по суті, «плаваючий» МОП-ключ із пристроєм управління . Структурна схема драйвера світлодіодів із застосуванням ІМС TPS92411 наведена на рис. 1.
Опір транзисторного ключа у відкритому стані 2 Ом (типове значення), допустима напруга 100, швидкість наростання вихідної напруги при включенні становить 1 В/мкс. Для керування станом (вкл./откл.) вбудованого комутованого МОП-транзистора використовуються RS-тригер і два компаратора з регульованою напругою спрацьовування, що встановлюється з використанням двох зовнішніх резисторів. Мікросхема виготовляється в корпусі SOT23-5 або SO-8 Power-Pad та забезпечує максимальний струм до 200 або 350 мА відповідно.

Діапазон припустимої температури кристала -40…165 °C. Тепловий опір R jb – 38 або 39.1 °C/Вт (залежно від типу корпусу). Використання мікросхеми TPS92411 у драйверах світлодіодів забезпечує отримання коефіцієнта потужності понад 0.9 .

МОДЕЛЬ

У моделі драйвера використовують моделі світлодіодів типу Cree XLamp MX6S LED (світловий потік 100-130 лм залежно від групи). Типове значення падіння напруги при прямому струмі 60 мА – 20 В. Вольтамперна характеристика світлодіодів MX-6S LED наведена на рис. 2. На рис. 3 наведено схему (OrCAD) моделі драйвера світлодіодів із застосуванням мікросхеми TPS92411. Ця схема отримана в результаті нескладного доопрацювання схеми драйвера TPS92411 PSpice Transient Model (Simulation Models), яку можна знайти на веб-сайті компанії Texas Instruments. Модифікована схема моделі драйвера призначена для використання при мережній напрузі 230 В. Ланцюжок світлодіодів, що підключаються, розбивається на три секції таким чином, щоб сума падіння напруги на секціях була приблизно дорівнює амплітудному значенню мережевого напруги. При напрузі мережі 230 В рекомендовані значення: 40, 80 та 160 В .

Напруга порога спрацьовування вбудованого компаратора, при якому відбувається розмикання ключа, вибирається приблизно на 8-12 вище падіння напруги на відповідних підключених секціях світлодіодів. Для наведеної на рис. 3 схеми – це 49, 89 і 169 В. Рекомендована напруга порога, при якому відбувається замикання МОП-ключа, становить приблизно 6 В. Таким чином, при досягненні напруги 49 В на першій секції (1) світлодіодів вбудований в ІМС U1 МОП-транзистор переходить в закритий стан одіоди. Стабілізатор струму (Q2, Q3) підтримує заданий струм при зміні напруги. Величина струму визначається необхідною потужністю та відповідно опором резистора R22. Наприклад, за споживаної потужності 16.6 Вт, величина струму становить 0.072 А (16.6 Вт/230 В) і опір резистора R22 дорівнює 34.8 Ом . Тимчасові діаграми, що пояснюють принцип роботи драйвера, наведено на рис. 4. Графіки зміни струму, що протікає через секції світлодіодів при різних значеннях ємності конденсаторів, що фільтрують (С4, С5, С10), наведені на рис. 5.

ВИСНОВОК

Використання Texas Instruments PSpice-моделі драйвера світлодіодів, створеного на базі ІМС TPS92411, дозволяє виконати аналіз характеристик моделі при зміні параметрів компонентів і, в кінцевому рахунку, прискорити розробку драйвера.
Недорогі та надійні неізольовані безтрансформаторні драйвери світлодіодів, виконані на базі ІМС TPS92411, можуть знайти застосування у світлодіодних лампах, орієнтованих на різні програми, у тому числі й світильниках для ЖКГ.