Al giorno d'oggi le lampade CFL e fluorescenti sono quasi completamente sostituite con lampade a LED, che sono per lo più sotto forma di lampade a LED a soffitto piatto di forma circolare o quadrata.
Queste lampade si fondono magnificamente con la superficie piatta del soffitto delle nostre case, uffici o negozi fornendo un aspetto estetico per le luci, insieme a un'elevata efficienza, in termini di risparmio energetico e illuminazione dello spazio.
In questo articolo discutiamo un semplice convertitore buck azionato dalla rete che può essere utilizzato come driver per l'illuminazione di lampade a LED a soffitto tra 3 watt e 10 watt.
Il circuito è in realtà un circuito SMPS da 220 V a 15 V ma poiché si tratta di un design non isolato, elimina il complesso trasformatore di ferrite e i fattori critici coinvolti.
Sebbene un design non isolato non fornisca isolamento al circuito dalla rete CA, una semplice copertura di plastica rigida sopra l'unità contrasta facilmente questo inconveniente, garantendo assolutamente nessuna minaccia per l'utente.
D'altra parte, la cosa migliore di un circuito driver non isolato è che è economico, facile da costruire, installare e utilizzare, a causa dell'assenza di un trasformatore SMPS critico, che viene sostituito da un semplice induttore.
L'uso di un singolo circuito integrato VIPer22A di ST microelectronics rende il design praticamente a prova di danni e permanente, a condizione che l'alimentazione CA in ingresso rientri nell'intervallo specificato di 100 V e 285 V.
Informazioni sull'IC VIPer22A-E
I modelli VIPer12A-E e VIPer22A-E che corrispondono pin-for-pin e sono progettati per numerose applicazioni di alimentazione da rete CA a CC. Questo documento presenta un alimentatore per driver LED SMPS off-line non isolato che utilizza VIPer12 / 22A-E.
Qui sono inclusi quattro design di driver unici. Il chip VIPer12A-E può essere utilizzato per pilotare lampade a LED da 12 V a 200 mA e 16 V 200 mA.
Il VIPer22A-E può essere applicato per lampade da soffitto di maggiore potenza con alimentazioni da 12 V / 350 mA e 16 V / 350 mA.
Lo stesso layout PCB può essere utilizzato per qualsiasi tensione di uscita da 10 V a 35 V. Ciò rende l'applicazione estremamente diversificata e adatta per alimentare un'ampia gamma di lampade a LED, da 1 watt a 12 watt.
Nello schema, per carichi inferiori che possono funzionare con meno di 16 V, sono inclusi i diodi D6 e C4, per carichi che richiedono oltre 16 V, il diodo D6 e il condensatore C4 vengono semplicemente rimossi.
Come funziona il circuito
Le funzioni del circuito per tutte e 4 le varianti sono essenzialmente identiche. La variazione è nella fase del circuito di avvio. Spiegheremo il modello come illustrato nella Figura 3.
L'uscita di progetto del convertitore non è isolata dall'ingresso di rete AC 220V. Ciò fa sì che la linea neutra CA sia comune alla massa di uscita della linea CC, fornendo quindi un collegamento di riferimento posteriore al neutro di rete.
Questo convertitore buck a LED costa meno perché non dipende dal tradizionale trasformatore in ferrite E-core e dall'optoaccoppiatore isolato.
La linea CA di rete è applicata tramite il diodo D1 che raddrizza i semicicli alternati CA a un'uscita CC. C1, L0, C2 costituiscono un filtro a torta {per aiutare} a ridurre al minimo il rumore EMI.
Il valore del condensatore di filtro è selezionato per gestire una valle di impulsi accettabile, poiché i condensatori si caricano ogni mezzo ciclo alternato. È possibile applicare un paio di diodi invece di D1 per resistere a impulsi di ondulazione fino a 2 kV.
R10 soddisfa un paio di obiettivi, uno è per limitare i picchi di spunto e l'altro è quello di funzionare come un fusibile in caso di malfunzionamento catastrofico. Un resistore a filo avvolto si occupa della corrente di spunto.
Un resistore resistente al fuoco e un fusibile funzionano molto bene secondo le specifiche di sistema e di sicurezza.
C7 controlla l'EMI livellando la linea e il disturbo neutro senza bisogno dell'Xcap. Questo driver LED da soffitto sarà sicuramente conforme e soddisferà le specifiche EN55022 di livello 'B'. Se la richiesta di carico è inferiore, questo C7 potrebbe essere omesso dal circuito.
La tensione sviluppata all'interno di C2 viene applicata al drain del MOSFET dell'IC tramite i pin da 5 a 8 collegati insieme.
Internamente, l'IC VIPer ha una sorgente di corrente costante che fornisce 1 mA al pin 4 Vdd. Questa corrente di 1 mA viene utilizzata per caricare il condensatore C3.
Non appena la tensione sul pin Vdd raggiunge un valore minimo di 14,5 V, la sorgente di corrente interna dell'IC si spegne e VIPer inizia ad attivare / disattivare.
Mentre in questa situazione, la potenza viene erogata attraverso il tappo Vdd. L'elettricità immagazzinata all'interno di questo condensatore deve essere superiore alla potenza necessaria per fornire la corrente di carico in uscita insieme alla potenza per caricare il condensatore in uscita, prima che il cap Vdd scenda sotto i 9 V.
Questo potrebbe essere notato in dati schemi circuitali. Il valore del condensatore viene quindi selezionato per supportare il tempo di accensione iniziale.
Quando si verifica un cortocircuito, la carica all'interno del tappo Vdd scende al di sotto del valore minimo consentendo ai circuiti integrati incorporati nel generatore di corrente ad alta tensione di attivare un nuovo ciclo di avvio.
Le fasi di carica e scarica del condensatore determinano il periodo di tempo durante il quale l'alimentazione verrà inserita e disinserita. Ciò riduce l'impatto del riscaldamento RMS su tutte le parti.
Il circuito che regola questo include Dz, C4 e D8. D8 carica C4 al suo valore di picco per tutto il periodo di ciclo mentre D5 è in modalità di conduzione.
Durante questo periodo, la sorgente di alimentazione o la tensione di riferimento all'IC viene ridotta dalla caduta di tensione diretta di un diodo al di sotto del livello del suolo, che compensa la caduta di D8.
Quindi principalmente la tensione Zener è equivalente alla tensione di uscita. C4 è collegato su Vfb e la fonte di alimentazione per attenuare la tensione di regolazione.
Dz è uno Zener da 12 V, 1⁄2 W con una particolare corrente di prova di 5 mA. Questi zeners classificati per una corrente inferiore forniscono una maggiore precisione della tensione di uscita.
Nel caso in cui la tensione di uscita sia inferiore a 16 V, il circuito potrebbe essere impostato come mostrato nella Figura 3, dove Vdd è isolato dal pin Vfb. Non appena la sorgente di corrente incorporata nell'IC carica il condensatore Vdd, Vdd può raggiungere 16V nelle circostanze peggiori.
Uno Zener da 16 V con una tolleranza minima del 5% potrebbe essere 15,2 V in aggiunta alla resistenza incorporata a terra di 1,230k Ω che genera 1,23 V in più per fornire un totale di 16,4 V.
Per un'uscita da 16 V e maggiore, è possibile consentire al pin Vdd e al pin Vfb di promuovere un diodo comune e un filtro condensatore esattamente come indicato nella Figura 4.
Selezione dell'induttore
Nella fase di avviamento dell'induttore, la modalità discontinua potrebbe essere determinata mediante la formula indicata di seguito che fornisce una stima efficace per l'induttore.
L = 2 [P su / ( Id picco )Duex f)]
Dove Idpeak è la corrente di drain massima più bassa, 320 mA per IC VIPer12A-E e 560 mA per VIPer22A-E, f indica la frequenza di commutazione a 60 kHz.
La corrente di picco più alta controlla la potenza fornita all'interno della configurazione del convertitore buck. Di conseguenza, il calcolo sopra indicato sembra adatto per un induttore progettato per funzionare in modalità discontinua.
Quando la corrente in ingresso scende a zero, la corrente di picco in uscita ottiene due volte l'uscita.
Ciò limita la corrente di uscita a 280 mA per l'IC VIPer22A-E.
Nel caso in cui l'induttore abbia un valore maggiore, passando dalla modalità continua a quella discontinua, siamo in grado di raggiungere facilmente 200 mA lontano dal problema di restrizione corrente. C6 deve essere un condensatore ESR minimo per ottenere la bassa tensione di ondulazione.
V ondulazione = I ondulazione X C esr
D5 richiede un diodo di commutazione ad alta velocità, ma D6 e D8 possono essere normali diodi raddrizzatori.
DZ1 è impiegato per fissare la tensione di uscita a 16 V. Le caratteristiche del convertitore buck ne determinano la carica nel punto di picco in condizione di vuoto. Si consiglia di utilizzare un diodo Zener da 3 a 4 V maggiore della tensione di uscita.
FIGURA # 3
La figura 3 sopra mostra lo schema del circuito per il progetto del prototipo della lampada LED da soffitto. È progettato per lampade LED da 12 V con una corrente ottimale di 350 mA.
Nel caso in cui sia desiderabile una quantità di corrente inferiore, VIPer22A-E potrebbe essere trasformato in VIPer12A-E e il condensatore C2 potrebbe essere abbassato da 10 μf a 4,7 μF. Questo dà fino a 200 mA.
FIGURA # 4
La figura 4 sopra mostra il design identico ad eccezione di 16 V o più, D6 e C4 potrebbero essere omessi. Il ponticello collega la tensione di uscita con il pin Vdd.
Idee di layout e suggerimenti
Il valore L fornisce i limiti di soglia tra la modalità continua e discontinua per una corrente di uscita specificata. Per poter funzionare in modalità discontinua, il valore dell'induttore deve essere inferiore a:
L = 1/2 x R x T x (1 - D)
Dove R indica la resistenza di carico, T indica il periodo di commutazione e D indica il ciclo di lavoro. Troverai un paio di fattori da tenere in considerazione.
Il primo è, maggiore è il discontinuo, maggiore è la corrente massima. Questo livello deve essere mantenuto al di sotto dell'impulso minimo mediante il controllo della corrente di impulso del VIPer22A-E che è 0,56 A.
L'altro è quando lavoriamo con un induttore di dimensioni maggiori per funzionare costantemente, incontriamo un eccesso di calore a causa dei deficit di commutazione del MOSFET all'interno del VIPer IC.
Specifiche dell'induttore
Inutile dire che la specifica della corrente dell'induttore dovrebbe essere superiore alla corrente di uscita per evitare la possibilità di saturare il nucleo dell'induttore.
L'induttore L0 può essere costruito avvolgendo un filo di rame super smaltato 24 SWG su un nucleo di ferrite adatto, fino a raggiungere il valore di induttanza di 470 uH.
Allo stesso modo, l'induttore L1 potrebbe essere costruito avvolgendo un filo di rame super smaltato 21 SWG su qualsiasi nucleo di ferrite adatto, fino a raggiungere il valore di induttanza di 1 mH.
Elenco completo delle parti
Per maggiori dettagli e per la progettazione del PCB, fare riferimento a questo Scheda tecnica completa
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