V celé řadě velmi výkonných zdrojů světla, určených např. pro pouliční osvětlení, vysokozávěsná svítidla na stadionech aj. se začíná prosazovat nový trend v podobě pevných zdrojů, využívajících LED. Důvodem pro takovou změnu je zcela jistě nezpochybnitelný význam vyšší energetické účinnosti včetně méně častých servisních zásahů. V rámci samotného napájení těchto výkonných zdrojů světla se setkáváme s několika různými možnostmi. Náplní tohoto článku proto bude seznámení s novou topologií pro buzení většího počtu větví z LED, pyšnící se menšími ztrátami a také nižšími náklady. Abychom však mohli korektně posoudit možné přínosy, bude vhodné nejprve zmínit některé metody, které přicházejí v úvahu nebo se již osvědčily v nízkopříkonových zapojeních s LED.

Jednoduchou možností je použití napájecího zdroje, který ze vstupního síťového napětí vyrobí stejnosměrný výstup o velikosti 12 nebo 24 V. Z tohoto napětí se pak živí paralelně řazené větve z LED, přičemž každá z použitých větví řeší proudovou regulaci pomocí rezistorů. Jedná se však o laciný přístup, jinými slovy, použijeme – li na tomto místě současné vysocesvítivé LED, odebírající více než 350 mA, promrháme hodně tepla. Vedle mizerné účinnosti a nevalné proudové regulace můžeme rovněž pozorovat odlišné světelné výstupy mezi jednotlivými větvemi.

Abychom dosáhli pro všechny použité řetězce LED vyrovnanější světelné odezvy, můžeme rezistory nahradit lineárními stabilizátory. Je to však jediná možná výhoda, protože v otázce účinnosti nebo výkonových ztrát jsme stále na jednom a tomtéž místě. Snížení výkonových ztrát je přitom důležité také pro prodloužení životnosti LED. V obou případech jsme však lokalizovali tepelné zdroje, rezistory nebo lineární stabilizátory, které dlouhodobou životaschopnost LED výrazně omezí.

Dalším jednoduchým způsobem je dlouhý sériový řetězec, napájený z jediného “vysokonapěťového” zdroje stejnosměrného konstantního proudu. Musíme však počítat s tím, že již zpravidla překročíme hranice malého bezpečného napětí (Safety Extra Low Voltage, SELV, 60 Vdc, příp. 42 Vrms). Pro svítidla a jejich kryty to pak z hlediska bezpečnostních předpisů znamená nejrůznější schvalovací procesy, výrazně snižující flexibilitu, pokud jde o další uplatnění stejného řešení v jiných aplikacích. Závažným problémem může být i celková spolehlivost zařízení. Dojde – li totiž k přerušení jen jedné jediné diody, zhasíná díky sériovému řazení celé zapojení. Můžeme pochopitelně použít nejrůznější propojky a “inteligentní” přemostění, ale ve výsledku jen zvýšíme náklady a celkovou složitost svítidla.

Nejběžněji užívaným postupem se tak v rámci výkonného osvětlení s LED stává vícenásobné řetězení, využívající k regulaci proudu spínané měniče. Ze střídavého síťového napětí vyrábíme jedno stejnosměrné (sběrnicové), které obvykle nepřekračuje úrovně malého bezpečného napětí. Tato sběrnice pak napájí paralelně řazené větve LED, přičemž každá z větví má ještě svůj vlastní snižující (nejvíce používané) nebo zvyšující měnič. Pro jednoduchost se v našem rozboru omezíme na snižující (Buck) variantu. Zvyšující (Boost) řešení se přitom v otázce ceny a počtu použitých součástek příliš lišit nemusí.

Abychom jen nemluvili, máme na obr. 1 zachyceno jednoduché a také levné zapojení se snižujícím měničem, složené z PWM kontroléru, indukčnosti, MOSFETu, diody a hrstky rezistorů a kondenzátorů. Bude – li požadována ještě větší účinnost, můžeme použitou diodu nahradit dalším MOSFETem a vše řídit PWM obvodem, podporujícím synchronní provoz.

Obr. 1: Jednoduchý snižující měnič

Na obr. 2 zase vidíme jednotlivé bloky v zapojení s větším počtem výkonových větví. K regulaci proudu slouží snižující měniče (Buck).

Obr. 2: Typické zapojení zdroje světla s výkonovými LED a snižujícími měniči

Střídavé síťové napětí je na vstupu usměrněno a poté přivedeno do podpůrného bloku PFC (Power Factor Correction), na jehož vysokonapěťovém výstupu můžeme naměřit až 400 V, sloužících jako vstupní potenciál pro připojený, galvanicky oddělený DC/DC měnič. Výstup DC/DC měniče pak pokrývá výkonové požadavky nízkonapěťové sběrnice s typickým rozsahem 12 V nebo 24 V, ze které pracují snižující měniče jednotlivých řetězců LED. Právě popsané řešení vykazuje solidní účinnost a je dobrou volbou v případě menšího počtu výstupních větví s LED. Problém však nastane v případě, že budeme pro svou výkonnější aplikaci potřebovat čtyři a více větví, díky kterým hmatatelně naroste počet součástek a tudíž i cena. Výrobci elektronických obvodů ani distributoři pochopitelně nebudou nic namítat, právě naopak. Rozhodně se to však nebude líbit výrobcům koncových zařízení a jejich zákazníkům. Zbytečně přemrštěné ceny totiž nepodpoří masové rozšíření u žádného výrobku. To, co potřebujeme pro dlouhodobou životaschopnost osvětlení s prvky pevného skupenství jsou levné budiče, umožňující, aby poptávka na trhu zakořenila a dále už jen nerušeně rostla.

Na obr. 3 vidíme schéma zapojení struktury SIMPLE se sériovým vstupem pro vícenásobné buzení LED. Jedná se o poměrně levnou možnost napájení většího počtů řetězců z LED. Pomineme – li blok PFC, můžeme hovořit o dvoustupňovém návrhu, zahrnujícím

• inverzní snižující měnič s konstantním výstupním proudem a následný
• DC/DC obvod s transformátory.

Zapojení vykazuje vysokou účinnost, vynikající regulaci proudu v jednotlivých větvích a co je nejdůležitější, umírněné finanční náklady. Základní schéma lze dále rozšířit o doplňkové struktury v podobě jednoduchých, pasivně vystupujících prvků SCR (Silicon Controlled Rectifier), známých také jako tyristory, doplňujících každou větev. Pokud tedy dojde k přerušení LED nebo rovnou celé větve, nepoznamená vzniklá porucha zbývající řetězce LED.

Dříve, než se budeme věnovat samotné činnosti, prohoďme několik slov na adresu základních rysů, které u budičů SIMPLE s dělenými transformátory bezprostředně vystupují na povrch. Předně, stojí za zmínku, že máme co do činění s elektricky odděleným řešením, ve kterém lze nastavit výstupní napětí sekundáru tak, aby zůstalo v bezpečných mezích SELV. Pokud se nám to podaří, nemusíme naše svítidla nutně kombinovat s externím napájecím zdrojem jen proto, abychom obdrželi osvědčení o bezpečnosti. Rovněž tím získáme výraznou flexibilitu, upotřebitelnou v celé řadě příbuzných produktů nebo dalších, světlo generujících aplikací. Pochopitelně, samotný napájecí zdroj bude v tomto směru stále vyžadovat určitá osvědčení, stejně jako všechna nezávislá řešení, zmiňovaná v tomto článku, až na samotné svítidlo. Dále, oddělené řešení může znamenat nesporné výhody, pramenící v teplotním managementu. Nemáme zde žádná omezení těsných vzdáleností mezi LED nebo kontaktů vůči kovovým krytům. Další vlastností, vyčnívající mezi jinými, je nepovinná zpětná vazba z výstupní strany. Výrazně tak můžeme ušetřit na optočlenech i některých dalších izolovaných, zpětnovazebních součástkách, které jinak bývají s ohledem na bezpečnost vyžadovány. Konečně, zaměřme se na jednoduché provedení sekundární strany. Nalezneme zde sice několik pasivních součástek, včetně nezbytných diod, ale jinak žádná předpětí, aktivní struktury nebo řízení všeho druhu.

Jakmile obvodem protečou první proudy, začíná popisovaná struktura SIMPLE vykazovat vynikající proudovou shodu mezi jednotlivými větvemi, lepší než 1 procento. Řešení nabízí rezonanční principy činnosti pro dosažení vysoké účinnosti a také dostatečně nízké náklady, které dále vyniknou s rostoucím počtem řetězců LED.

Obr. 3: Budič SIMPLE s dělenými transformátory

Popis činnosti:

Výstup z bloku PFC je zároveň vstupem pro inverzní snižující zapojení měniče, konfigurovaného tak, aby na svém výstupu generoval konstantní proud, protékající uzavřenou smyčkou systému. Proudový výstup vedeme do DC/DC struktury s transformátory, skládající se z budiče polovičního můstku (half-bridge), dvou MOSFETů, kondenzátorů C1 a C2 a nezbytných indukčních vazeb. Proud se následně uzavírá přes MOSFETové spínací prvky polovičního můstku a primární strany sériově spojených transformátorů. Kapacity C1 a C2 slouží hned k několika účelům: Využíváme je k nastavení napěťového děliče polovičního můstku, jako prvky rezonančního obvodu a také na pozici stejnosměrných blokujících prvků, jinými slovy preventivního opatření, bránícího saturaci použitých transformátorů.

Díky rezonančním principům mohou MOSFETy spínat v režimu ZVS s nulovým napětím (Zero Voltage Switching). Výsledkem jsou nižší spínací ztráty a také skutečnost, že výstupní diody budou tlačeny do příbuzného módu ZCS s nulovým proudem (Zero Current Switch), jinak řečeno maximální podpora účinného provozu. Stejnosměrný proud, nyní transformovaný na střídavý, prochází v souladu s provozními rezonancemi primárními stranami všech sériově připojených transformátorů. Počet primárů lze přitom díky převodovým poměrům jednoduše přizpůsobit tak, aby vyhovoval konkrétním požadavkům s ohledem na požadovaný počet LED, resp. traf. Pro výpočet poměru závitů tak vyjdeme z počtu výstupních větví, určujících počet výstupních měničů a také úbytků napětí každé větve v propustném směru.

Z čeho při návrhu vyjít?

Abychom při samotné konverzi dosáhli nejvyšší možné účinnosti, nesmíme zbytečně mrhat výkonem. Jednou z možností, jak toho dosáhnout, je co nejtěsnější přiblížení ke vstupnímu napětí. Protože většina výkonných osvětlovacích aplikací podporuje aktivní PFC, budeme tuto část pro jednoduchost považovat za funkční blok, jehož výstupu můžeme přiřadit některé typické hodnoty.

Většina aktivních obvodů PFC pracuje jako zvyšovač napětí, bude proto potřeba nastavit výstupní napětí bloku PFC až nad špičkovou úroveň nejvyššího dostupného střídavého napětí v síti. Vyjdeme – li z

• univerzálního vstupního rozsahu 85 V AC až 265 V AC, dostáváme
• nějakých 375 V.

Abychom nejeli na doraz, přidáme ještě pár voltů jako možnou rezervu, která vykryje i případné tolerance, a jsme na

• typické úrovni 400 V.

Nyní ještě zajistíme, že připojené snižující měniče získají hojné pole působnosti i v případě výstupních změn PFC a definujeme o něco větší rezervu z titulu

• provozního zvlnění okolo 40 V.

Dostáváme tak

• minimální vstupní úroveň pro inverzní snižující měnič o velikosti cca 360 V.

V této fázi ještě zajistíme vyhovující výstupní rozsah pro náležitou činnost snižujícího měniče a dopřejeme mu také určitý prostor k dobru, které omezíme

• výstupní velikostí 280 V.

Když jsme si tedy vymezili základní omezení, přejděme na samotný příklad konkrétního návrhu, ve kterém určíme velikost konstantního proudu snižujícího měniče a také poměr závitů u transformátorů. Mějme

• dva transformátory pro
• 1 A buzení
• čtyř větví LED, přičemž
• každá z nich obsahuje deset výkonných diod.

Předpoklad: Úbytek napětí na LED v propustném směru Vf = 3.5 V, tj. napětí větve = 35 V.

Výše definovaná, stejnosměrná výstupní úroveň snižujícího měniče 280 V zde vystupuje jako vstup pro připojené DC/DC měniče s transformátory. To pak znamená, že napětí, působící na každém ze sériově spojených primárů, bude

• polovinou výstupního napětí kapacitního děliče, složeného z C1 a C2, dodávajícího
  
• sériově zapojené sestavě primárních vinutí 140 V.

Určení převodového poměru transformátoru se tak stává více než průkazné, přesně jak definujeme v první rovnici:

Primární napětí (Vp) každého transformátoru = napětí můstku / počet transformátorů = 140 V / 2 = 70 V

Np / Ns = Vp / Vs = 70 V / 35 V = 2 = transformační poměr 2 : 1 (Rovnice 1)

kde

• Np = počet závitů primáru,
• Ns = počet závitů sekundáru,
• Vs = napětí na sekundární straně, resp. napětí větve LED a
• Vp = napětí každého primárního vinutí

K výpočtu žádané velikosti výstupního proudu inverzního snižujícího stupně můžeme jednoduše vyjít z celkového výstupního výkonu provázaných větví LED, který následně zapracujeme do výpočtu.

Budeme – li mít

• čtyři větve po 10 LED,
• buzené proudem 1 A, dostaneme
• celkový výstupní výkon 140 W.

Pracujeme – li dále s

• 280 V výstupním napětím inverzního snižujícího měniče, dostáváme přibližně
• 500 mA výstupní proud,

jehož velikost definujeme druhou rovnicí takto:

Iset = Iled x (Ns / Np) = 1 A x (1 / 2) = 0.5 A (Rovnice 2)

Z titulu určitých ztrát, které se v dalším zapojení vyskytnou, pak může být vyžadováno mírné přizpůsobení snižujícího inverzního stupně.

Během úvahy o požadované velikosti výstupního proudu inverzního snižujícího měniče, kde každý z připojených transformátorů budí dvě větve LED, musíme v prvé řadě respektovat skutečnost, že ve střídavých půl – periodách daného transformátoru vede pouze jedna větev. Jinými slovy, k udržení proudu LED i během nečinné fáze bude potřeba dodat dvakrát větší proud. V našem příkladu s požadovanou velikostí proudu LED 1 A tak budeme LED a filtračnímu kondenzátoru dodávat každou polovinu cyklu 2 A.

Závěr:

Definice základních požadavků na dělené transformátory může být ve struktuře SIMPLE, určené k výrazně flexibilnímu buzení celé řady nejrůznějších svítidel, velmi jednoduchá. Pokud tedy máme v plánu začlenit strukturu SIMPLE do některé ze svých modulárních aplikací s LED, zbývá už jen blíže specifikovat předřazené výkonové stupně, mezi něž patří výkonové obvody polovičního můstku, inverzní snižující měnič a také PFC s cílem zajistit maximální možnou účinnost celého zapojení.

Download a odkazy:

• Další informace o multi – transformátorovém přístupu SIMPLE, včetně referenčních návrhů, získáte v souvislosti s obvodem UCC28810 na www.ti.com/ucc28810-ca, resp. jeho vývojovým modulem na www.ti.com/ucc28810evm003-ca.
• Těmto a dalším výkonovým aplikacím se Texas Instruments věnuje na www.ti.com/power-ca.
• Prostor pro on – line zkušenosti nebo případné dotazy zase nabízí E2E komunita TI http://www.ti.com/e2e-ca.

Něco o autorovi:

James (Jim) Aliberti je produktovým inženýrem TI (Power Supply Controls), kde odpovídá za technický marketing. Svůj titul BSET a ASET získal na Wentworth Institute of Technology, Boston, MA. Dříve sloužil u amerického vojenského námořnictva, kde se věnoval letectví a souvisejícímu elektronickému vybavení. Volný čas tráví s rodinou nebo na golfišti.