Circuit de commande à LED sans transformateur pour des conceptions d'ampoules à LED fiables à faible coût

On dit que les ampoules LED sont 80% plus efficaces que les autres options d'éclairage conventionnelles comme les ampoules fluorescentes et à incandescence. L'adaptation rapide des ampoules LED est déjà perceptible autour de nous et la valeur du marché mondial des ampoules LED a atteint environ 5,4 milliards de dollars en 2018. Un défi, dans la conception de ces ampoules LED, est que la lumière LED, comme nous le savons, fonctionne sur la tension continue et le secteur l'alimentation électrique est CA, nous devons donc concevoir un circuit de pilote de LED qui pourrait convertir la tension secteur CA en un niveau approprié de tension CC requis pour l'ampoule LED. Dans cet article, nous allons concevoir un circuit pilote de LED à faible coût pratique utilisant le circuit intégré de commutation LNK302 pour alimenter quatre LED (en série) pouvant fournir 200 lumens fonctionnant à 13,6 V et consommant environ 100-150 mA.

Attention: avant d'aller plus loin, il est très important de s'assurer que vous travaillez avec une extrême prudence autour du secteur. Le circuit et les détails fournis ici ont été testés et gérés par des experts. Tout accident peut entraîner de graves dommages et peut également être mortel. Travaillez à vos risques et périls. Tu étais prévenu.

Circuit d'alimentation sans transformateur

Un circuit pilote de LED très grossier peut être construit à l'aide de la méthode Capacitor Dropper, comme nous l'avons fait dans notre précédent projet d'alimentation sans transformateur. Bien que ces circuits soient encore utilisés dans certains produits électroniques très bon marché, ils souffrent de nombreux inconvénients dont nous parlerons plus tard. Par conséquent, dans ce didacticiel, nous n'utiliserons pas la méthode Capacitor Dropper, mais construisons plutôt un circuit pilote de LED fiable à l' aide d'un circuit intégré de commutation.

Inconvénient du circuit d'alimentation sans transformateur de chute de condensateur

Ce type de circuit d'alimentation sans transformateur est moins cher que l'alimentation à découpage standard en raison du faible nombre de composants et de l'absence de magnétiques (transformateur). Il utilise un circuit compte-gouttes de condensateur qui utilise la réactance d'un condensateur pour faire chuter la tension d'entrée.

Bien que ce type de conception sans transformateur se révèle très utile dans certains cas où le coût de production d'un produit particulier doit être inférieur, la conception ne fournit pas d'isolation galvanique du secteur CA et ne doit donc être utilisé que dans des produits qui n'entrent pas en contact direct. avec les humains. Par exemple, il peut être utilisé dans des lumières LED haute puissance, où le boîtier est en plastique dur, et aucune partie du circuit n'est exposée pour l'interaction de l'utilisateur une fois installée. Le problème avec ces types de circuits est que si le bloc d'alimentation tombe en panne, cela pourrait refléter la tension CA d'entrée élevée à travers la sortie et cela peut devenir un piège mortel.

Un autre inconvénient est que ces circuits sont limités à un courant nominal faible. En effet, le courant de sortie dépend de la valeur du condensateur utilisé, pour un courant nominal plus élevé, un très grand condensateur doit être utilisé. C'est un problème car les condensateurs encombrants augmentent également l'espace de la carte et augmentent les coûts de production. En outre, le circuit n'a pas de circuit de protection, comme la protection contre les courts-circuits de sortie, la protection contre les surintensités, la protection thermique, etc. S'ils doivent être ajoutés, cela augmente également le coût et la complexité. Même si tout est bien fait, ils ne sont pas fiables.

La question est donc de savoir s'il existe une solution qui peut être moins chère, efficace, simple et de plus petite taille avec tous les circuits de protection pour créer un circuit de commande de LED haute puissance CA à CC non isolé? La réponse est oui et c'est exactement ce que nous allons construire dans ce tutoriel.

Choisir la bonne LED pour votre ampoule LED

La première étape dans la conception d'un circuit de commande d'ampoule LED consiste à décider de la charge, c'est-à-dire de la LED que nous allons utiliser dans nos ampoules. Ceux que nous utilisons dans ce projet sont indiqués ci-dessous.

Les LED dans la bande ci-dessus sont des 5730 boîtiers LED blanches froides de 0,5 Watt avec un flux lumineux de 57lm. La tension directe est de 3,2 V minimum à 3,6 V maximum avec un courant direct de 120 à 150 mA. Par conséquent, pour produire 200 lumens de lumière, 4 LED peuvent être utilisées en série. La tension requise de cette bande sera de 3,4 x 4 = 13,6 V et le courant 100-120 mA circulera à travers chaque led.

Voici le schéma des LED en série -

LNK304 - CI pilote de LED

Le pilote IC sélectionné pour cette application est LNK304. Il peut fournir avec succès la charge requise pour cette application avec redémarrage automatique, court-circuit et protection thermique. Les caractéristiques peuvent être vues dans l'image ci-dessous -

Sélection des autres composants

La sélection des autres composants dépend du CI pilote sélectionné. Dans notre cas la fiche technique, la conception de référence utilise un redresseur demi-onde utilisant deux diodes de récupération standard. Mais dans cette application, nous avons utilisé le pont de diodes pour la rectification pleine onde. Cela peut augmenter le coût de production, mais en fin de compte, les compromis de conception sont également importants pour une alimentation appropriée à travers la charge. Le diagramme schématique sans valeurs peut être vu dans l'image ci-dessous, discutons maintenant de la façon de sélectionner les valeurs

Ainsi, le pont de diodes BR1 est sélectionné DB107 pour cette application. Cependant, un pont de diodes de 500 mA peut également être sélectionné pour cette application. Après le pont de diodes, un filtre pi est utilisé lorsque deux condensateurs électrolytiques sont nécessaires avec un inducteur. Cela rectifiera le DC et réduira également les EMI. Les valeurs de condensateurs sélectionnées pour cette application sont des condensateurs électrolytiques 10uF 400V. Les valeurs doivent être supérieures à 2,2uF 400V. À des fins d'optimisation des coûts, 4,7 uF à 6,8 uF peuvent être le meilleur choix.

Pour l'inducteur, plus de 560uH est recommandé avec 1,5A du courant nominal. Par conséquent, C1 et C2 sont sélectionnés pour être 10 uF 400 V et L1 comme 680 uH et un pont de diodes DB107 de 1,5 A pour DB1.

Le courant continu redressé est introduit dans l'IC pilote LNK304. La broche de dérivation doit être connectée à la source par un condensateur 0,1uF 50V. Par conséquent, C3 est un condensateur céramique de 0,1 uF 50 V. D1 doit être une diode ultra-rapide avec un temps de récupération inverse de 75 ns. Il est sélectionné comme UF4007.

FB est la broche de rétroaction et les résistances R1 et R2 sont utilisées pour déterminer la tension de sortie. La tension de référence aux bornes de la broche FB est de 1,635 V, le circuit intégré commute la tension de sortie jusqu'à ce qu'il obtienne cette tension de référence sur sa broche de rétroaction. Par conséquent, en utilisant un simple calculateur de diviseur de tension, la valeur des résistances peut être sélectionnée. Ainsi, pour obtenir 13,6 V en sortie, la valeur de la résistance est sélectionnée en fonction de la formule ci-dessous

Vout = (Tension source x R2) / (R1 + R2)

Dans notre cas, Vout est de 1,635V, la tension de la source est de 13,6V. Nous avons sélectionné la valeur R2 comme 2,05k. Ainsi, le R1 est 15k. Vous pouvez également utiliser cette formule pour calculer également la tension de la source. Le condensateur C4 est sélectionné comme 10uF 50V. D2 est une diode de redressement standard 1N4007. Le L2 est le même que L1 mais le courant peut être inférieur. L2 est également 680uH avec une cote de 1,5 A.

Le condensateur de filtre de sortie C5 est sélectionné comme 100 uF 25V. R3 est une charge minimale utilisée à des fins de régulation. Pour la régulation de charge nulle, la valeur est sélectionnée comme 2,4k. Le schéma mis à jour avec toutes les valeurs est illustré ci-dessous.

Fonctionnement du circuit de pilote de LED sans transformateur

Le circuit complet fonctionne en topologie de commutation d'inductance MDCM (mode de conduction principalement discontinu). La conversion CA en CC est effectuée par le pont de diodes et le filtre pi. Après avoir obtenu le DC redressé, l'étape de traitement de puissance est effectuée par les LNK304 et D1, L2 et C5. La chute de tension aux bornes du D1 et du D2 est presque la même, le condensateur C3 vérifie la tension de sortie et, en fonction de la tension aux bornes du condensateur C3, est détectée par le LNK304 à l'aide du diviseur de tension et en régulant la sortie de commutation entre les broches source.

Construire le circuit de pilote de LED

Tous les composants nécessaires à la construction du circuit, à l'exception des inducteurs. Par conséquent, nous devons enrouler notre propre inducteur en utilisant du fil de cuivre émaillé. Maintenant, il y a une approche mathématique pour calculer le type d'âme, l' épaisseur du fil, le nombre de tours, etc. Mais pour but de simplicité, nous allons simplement faire quelques tours avec le fil de la canette et le cuivre disponible et utiliser un compteur LCR pour vérifier si nous avons atteint la valeur requise. Si notre projet n'est pas très sensible à la valeur de l'inducteur et que le courant nominal est faible, cette méthode grossière fonctionnera très bien. Si vous ne possédez pas de compteur LCR, vous pouvez également utiliser un oscilloscope pour mesurer la valeur de l'inductance en utilisant la méthode de fréquence de résonance.

L'image ci-dessus montre que les inducteurs sont vérifiés et que la valeur est supérieure à 800uH. Il est utilisé pour L1 et L2. Une simple carte plaquée cuivre est également conçue pour les LED. Le circuit est construit dans une maquette.

Test du circuit de pilote de LED

Le circuit est d'abord testé à l'aide d'un VARIAC (transformateur variable), puis vérifié en tension d'entrée universelle qui est une tension alternative de 110V / 220V. Le multimètre à gauche est connecté à l'entrée CA et un autre multimètre à droite est connecté à une seule LED pour vérifier la tension CC de sortie.

La lecture est prise dans trois tensions d'entrée différentes. Le premier sur le côté gauche montrant une tension d'entrée de 85VAC et à travers une seule LED, il affiche 3,51V alors que la tension de la LED à travers différentes tensions d'entrée change légèrement. La vidéo de travail détaillée peut être trouvée ci-dessous.