วงจรขับ LED แบบไม่ใช้หม้อแปลงสำหรับการออกแบบหลอดไฟ LED ราคาประหยัดที่เชื่อถือได้

หลอด LED มีประสิทธิภาพมากกว่าหลอดไฟทั่วไปถึง 80% เช่นหลอดฟลูออเรสเซนต์และหลอดไส้ การปรับตัวอย่างรวดเร็วของหลอดไฟ LED เป็นสิ่งที่สังเกตเห็นได้รอบตัวเราแล้วและมูลค่าตลาดหลอดไฟ LED ทั่วโลกสูงถึงประมาณ 5.4 พันล้านเหรียญในปี 2018 ความท้าทายในการออกแบบหลอด LED เหล่านี้คือหลอดไฟ LED อย่างที่เราทราบกันดีว่าทำงานกับแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงและไฟ แหล่งจ่ายไฟคือ AC ดังนั้นเราจึงต้องออกแบบวงจร LED Driverที่สามารถแปลงแรงดันไฟ AC ให้เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงในระดับที่เหมาะสมสำหรับหลอด LED ในบทความนี้เราจะออกแบบวงจรขับ LED ราคาประหยัดที่ใช้งานได้จริงโดยใช้LNK302 Switching ICเพื่อจ่ายไฟ LED สี่ดวง (ในชุด) ซึ่งสามารถให้ 200 Lumens ทำงานที่ 13.6V และกินไฟประมาณ 100-150mA

คำเตือน:ก่อนที่เราจะดำเนินการต่อไปสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่จะต้องแน่ใจว่าคุณทำงานด้วยความระมัดระวังอย่างยิ่งกับสายไฟ AC วงจรและรายละเอียดในที่นี้ได้รับการทดสอบและจัดการโดยผู้เชี่ยวชาญ อุบัติเหตุใด ๆ อาจนำไปสู่ความเสียหายร้ายแรงและอาจถึงแก่ชีวิตได้ ทำงานด้วยความเสี่ยงของคุณเอง คุณได้รับการเตือนแล้ว

วงจรจ่ายไฟแบบไม่ใช้หม้อแปลง

วงจรขับ LED ที่หยาบมากสามารถสร้างได้โดยใช้วิธี Capacitor Dropper เช่นเดียวกับที่เราทำในโครงการจ่ายไฟ Transformerless ก่อนหน้านี้ ในขณะที่วงจรเหล่านี้ยังคงถูกใช้ในผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ราคาถูกมาก แต่ก็มีข้อเสียเปรียบมากมายซึ่งเราจะพูดถึงในภายหลัง ดังนั้นในบทช่วยสอนนี้เราจะไม่ใช้วิธี Capacitor Dropper แทนที่จะสร้างวงจรขับ LED ที่เชื่อถือได้โดยใช้ IC สวิตชิ่ง

ข้อเสียเปรียบของ Capacitor Drop Transfromerless Power Supply Circuit

วงจรจ่ายไฟแบบไม่ใช้หม้อแปลงชนิดนี้มีราคาถูกกว่าแหล่งจ่ายไฟโหมดสวิตช์มาตรฐานเนื่องจากจำนวนส่วนประกอบต่ำและไม่มีแม่เหล็ก (หม้อแปลง) ใช้วงจรหยดตัวเก็บประจุที่ใช้ปฏิกิริยาของตัวเก็บประจุเพื่อลดแรงดันไฟฟ้าขาเข้า

แม้ว่าการออกแบบแบบไม่ใช้หม้อแปลงประเภทนี้จะพิสูจน์ได้ว่ามีประโยชน์อย่างมากในบางกรณีที่ต้นทุนการผลิตของผลิตภัณฑ์หนึ่ง ๆ ต้องต่ำลง แต่การออกแบบไม่ได้ให้การแยกกัลวานิกจากไฟ AC ดังนั้นจึงควรใช้กับผลิตภัณฑ์ที่ไม่ได้สัมผัสโดยตรงเท่านั้น กับมนุษย์ ตัวอย่างเช่นสามารถใช้กับไฟ LED กำลังสูงซึ่งตัวเครื่องทำด้วยพลาสติกแข็งและไม่มีส่วนของวงจรใดที่สัมผัสได้สำหรับการโต้ตอบของผู้ใช้เมื่อติดตั้งแล้ว ปัญหาเกี่ยวกับวงจรประเภทนี้คือหากหน่วยจ่ายไฟล้มเหลวอาจสะท้อนถึงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับอินพุตสูงทั่วทั้งเอาต์พุตและอาจกลายเป็นกับดักมรณะ

ข้อเสียเปรียบก็คือว่าวงจรเหล่านี้จะถูกจำกัด ให้คะแนนต่ำในปัจจุบันเนื่องจากกระแสไฟขาออกขึ้นอยู่กับค่าของตัวเก็บประจุที่ใช้สำหรับการให้คะแนนกระแสไฟฟ้าที่สูงขึ้นจะต้องใช้ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่มาก นี่เป็นปัญหาเนื่องจากตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ยังเพิ่มพื้นที่บอร์ดและเพิ่มต้นทุนการผลิต นอกจากนี้วงจรยังไม่มีวงจรป้องกันเช่นการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรเอาต์พุตการป้องกันกระแสเกินการป้องกันความร้อน ฯลฯ หากจำเป็นต้องเพิ่มก็จะเพิ่มต้นทุนและความซับซ้อน แม้ว่าทุกคนจะทำได้ดีพวกเขาจะไม่น่าเชื่อถือ

ดังนั้นคำถามคือมีวิธีแก้ปัญหาใดบ้างที่ราคาถูกกว่ามีประสิทธิภาพเรียบง่ายและมีขนาดเล็กลงพร้อมกับวงจรป้องกันทั้งหมดเพื่อสร้างวงจรขับ LED กำลังสูง AC เป็น DC แบบไม่แยก คำตอบคือใช่และนั่นคือสิ่งที่เรากำลังจะสร้างในบทช่วยสอนนี้

การเลือก LED ที่เหมาะสมสำหรับหลอด LED ของคุณ

ขั้นตอนแรกในการออกแบบวงจรขับหลอดไฟ LED คือการตัดสินใจเกี่ยวกับโหลดเช่น LED ที่เราจะใช้ในหลอดไฟของเรา สิ่งที่เราใช้ในโครงการนี้แสดงไว้ด้านล่าง

ไฟ LED ในแถบด้านบนเป็นไฟ LED สีขาวนวลขนาด 0.5 วัตต์ 5730 ที่มีฟลักซ์ส่องสว่าง 57lm แรงดันไปข้างหน้าคือ 3.2Vต่ำสุดไปสูงสุด 3.6V กับไปข้างหน้าปัจจุบันของ 120-150 มิลลิแอมป์ ดังนั้นในการผลิตแสง200 ลูเมนจึงสามารถใช้ LED 4 ดวงต่อเนื่องกันได้ แรงดันไฟฟ้าที่ต้องการของแถบนี้คือ 3.4 x 4 = 13.6Vและกระแส100-120mAจะไหลผ่านไฟ LED แต่ละดวง

นี่คือแผนผังของ LED ในชุด -

LNK304 - IC ไดร์เวอร์ LED

คนขับรถ IC เลือกสำหรับโปรแกรมนี้เป็นLNK304สามารถจัดหาโหลดที่ต้องการสำหรับแอปพลิเคชันนี้ได้สำเร็จพร้อมกับการรีสตาร์ทอัตโนมัติการลัดวงจรและการป้องกันความร้อน คุณสมบัติสามารถดูได้จากภาพด้านล่าง -

การเลือกส่วนประกอบอื่น ๆ

การเลือกส่วนประกอบอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับ IC ไดรเวอร์ที่เลือก ในกรณีของเราแผ่นข้อมูลการออกแบบอ้างอิงใช้วงจรเรียงกระแสครึ่งคลื่นโดยใช้ไดโอดกู้คืนมาตรฐานสองตัว แต่ในแอปพลิเคชันนี้เราใช้ Diode Bridge สำหรับการแก้ไขคลื่นเต็มรูปแบบ อาจทำให้ต้นทุนการผลิตเพิ่มขึ้น แต่ในท้ายที่สุดการแลกเปลี่ยนด้านการออกแบบก็มีความสำคัญต่อการส่งมอบพลังงานที่เหมาะสมตลอดทั้งโหลด แผนภาพที่ไม่มีค่าสามารถดูได้ในภาพด้านล่างตอนนี้เรามาดูวิธีเลือกค่า

ดังนั้นDiode Bridge BR1 จึงถูกเลือกDB107สำหรับแอปพลิเคชันนี้ อย่างไรก็ตามสามารถเลือกไดโอดบริดจ์ 500mA สำหรับแอปพลิเคชันนี้ได้ หลังจากไดโอดบริดจ์จะใช้ตัวกรอง piซึ่งต้องใช้ตัวเก็บประจุไฟฟ้าสองตัวพร้อมกับตัวเหนี่ยวนำ สิ่งนี้จะแก้ไข DC และลด EMI ด้วย ค่าตัวเก็บประจุที่เลือกสำหรับแอปพลิเคชันนี้คือตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า 10uF 400V ค่าต้องสูงกว่า 2.2uF 400V เพื่อวัตถุประสงค์ในการเพิ่มประสิทธิภาพต้นทุน 4.7uF ถึง 6.8uF เป็นตัวเลือกที่ดีที่สุด

สำหรับตัวเหนี่ยวนำแนะนำให้ใช้มากกว่า 560uH พร้อมกับ 1.5A ของพิกัดกระแสไฟฟ้า ดังนั้น C1 และ C2 จึงถูกเลือกให้เป็น 10uF 400V และ L1 เป็น 680uH และไดโอดบริดจ์ 1.5A DB107 สำหรับ DB1

แก้ไข DC จะถูกป้อนเข้าโปรแกรมควบคุม IC LNK304ต้องเชื่อมต่อพินบายพาสกับแหล่งที่มาด้วยตัวเก็บประจุ 0.1uF 50V ดังนั้น C3 จึงเป็นตัวเก็บประจุเซรามิก 0.1uF 50V จำเป็นต้องใช้ D1 เพื่อเป็นไดโอดที่เร็วมากโดยมีเวลาการกู้คืนย้อนกลับ 75 ns เลือกเป็น UF4007

FB คือพินป้อนกลับและตัวต้านทาน R1 และ R2 ใช้สำหรับกำหนดแรงดันไฟฟ้าขาออก แรงดันอ้างอิงข้ามขา FB คือ 1.635V IC จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าขาออกจนกว่าจะได้แรงดันอ้างอิงนี้ที่ขาป้อนกลับ ดังนั้นโดยใช้เครื่องคำนวณตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าอย่างง่ายจึงสามารถเลือกค่าตัวต้านทานได้ ดังนั้นสำหรับการรับ 13.6V เป็นเอาต์พุตค่าตัวต้านทานจะถูกเลือกตามสูตรด้านล่าง

Vout = (แรงดันไฟฟ้า x R2) / (R1 + R2)

ในกรณีของเรา Vout คือ 1.635V แรงดันไฟฟ้าที่มาคือ 13.6V เราเลือกค่า R2 เป็น 2.05k ดังนั้น R1 คือ 15k หรือคุณสามารถใช้สูตรนี้เพื่อคำนวณแรงดันไฟฟ้าที่มา ตัวเก็บประจุ C4 ถูกเลือกเป็น 10uF 50V D2 เป็นไดโอด rectifier มาตรฐาน 1N4007 L2 เหมือนกับ L1 แต่กระแสจะน้อยกว่า L2 ยังเป็น 680uH พร้อมอัตรา 1.5A

ตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต C5 ถูกเลือกเป็น 100uF 25V R3 เป็นโหลดขั้นต่ำที่ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการควบคุม สำหรับการควบคุมการโหลดเป็นศูนย์ค่าจะถูกเลือกเป็น 2.4k แผนผังที่อัปเดตพร้อมกับค่าทั้งหมดแสดงอยู่ด้านล่าง

การทำงานของวงจรขับ LED Transformerless

วงจรที่สมบูรณ์จะทำงานใน MDCM (ส่วนใหญ่โหมดต่อเนื่องการนำ) เหนี่ยวนำการเปลี่ยนโทโพโลยีคณะกรรมการตรวจสอบเพื่อการแปลง DC จะทำโดยสะพานไดโอดและตัวกรองปี่หลังจากได้รับ DC ที่ได้รับการแก้ไขแล้วขั้นตอนการประมวลผลพลังงานจะทำโดย LNK304 และ D1, L2 และ C5 แรงดันตกคร่อม D1 และ D2 เกือบจะเท่ากันตัวเก็บประจุ C3 จะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าขาออกและขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุ C3 ที่ตรวจจับโดย LNK304 โดยใช้ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าและควบคุมการสลับเอาท์พุทข้ามพินต้นทาง

การสร้างวงจรขับ LED

ส่วนประกอบทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการสร้างวงจรยกเว้นตัวเหนี่ยวนำ ดังนั้นเราต้องหมุนตัวเหนี่ยวนำของเราเองโดยใช้ลวดทองแดงเคลือบ ตอนนี้มีวิธีการทางคณิตศาสตร์ในการคำนวณประเภทของแกนความหนาของลวดจำนวนรอบ ฯลฯ แต่เพื่อความเรียบง่ายเราจะทำการเปลี่ยนด้วยกระสวยและลวดทองแดงที่มีอยู่และใช้เครื่องวัด LCRเพื่อตรวจสอบว่าเรามาถึงหรือไม่ ค่าที่ต้องการ ไซน์โครงการของเราไม่ไวต่อค่าตัวเหนี่ยวนำมากนักและการให้คะแนนปัจจุบันอยู่ในระดับต่ำวิธีที่หยาบนี้จะใช้ได้ดี หากคุณไม่มีเครื่องวัด LCR ​​คุณยังสามารถใช้ออสซิลโลสโคปเพื่อวัดค่าของตัวเหนี่ยวนำโดยใช้วิธีความถี่เรโซแนนซ์

ภาพด้านบนแสดงว่ามีการตรวจสอบตัวเหนี่ยวนำและมีค่ามากกว่า 800uH ใช้สำหรับ L1 และ L2 นอกจากนี้ยังมีแผงหุ้มทองแดงที่เรียบง่ายสำหรับ LED วงจรถูกสร้างขึ้นในเขียงหั่นขนม

การทดสอบวงจรขับ LED

วงจรนี้ได้รับการทดสอบครั้งแรกโดยใช้ VARIAC (Variable Transformer) จากนั้นตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าอินพุตสากลที่เป็นแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ 110V / 220V มัลติมิเตอร์ทางด้านซ้ายเชื่อมต่อผ่านอินพุต AC และมัลติมิเตอร์อีกตัวทางด้านขวาเชื่อมต่อผ่าน LED เดียวเพื่อตรวจสอบแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงเอาต์พุต

การอ่านจะใช้แรงดันไฟฟ้าอินพุตที่แตกต่างกันสามแบบ อันแรกทางด้านซ้ายแสดงแรงดันไฟฟ้าขาเข้า 85VAC และในไฟ LED เดียวจะแสดง 3.51V ในขณะที่แรงดันไฟ LED ในแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แตกต่างกันมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อย สามารถดูวิดีโอการทำงานโดยละเอียดได้ด้านล่าง