Один ШИМ и три светодиода: разработка источника питания для светодиодной линейки. Регулирование яркости светодиодов Шим контроллер для светодиодной ленты

В данной статье описано как собрать простой, но эффективный регулятор яркости светодиодов основанный на ШИМ регулировании яркости () свечения светодиодов.

Светодиоды (светоизлучающие диоды) очень чувствительные компоненты. При превышение питающего тока или напряжения выше допустимого значения может привести к выходу их из строя или же значительно сократить срок службы.

Обычно ток ограничивается с помощью резистора последовательно подключенного к светодиоду, или же регулятором тока цепи (). Увеличение тока на светодиоде увеличивает его интенсивность свечения, а снижение тока уменьшает его. Один из способов регулирования яркости свечения является использование переменного резистора () для динамического изменения яркости.

Но это только применимо к единичному светодиоду, поскольку даже в одной партии могут быть диоды с разной силой свечения и это повлияет на неравномерность свечения группы светодиодов.

Широтно-импульсная модуляция. Намного эффективнее метод регулирования яркости свечения путем применение (ШИМ). С ШИМ, группы светодиодов обеспечиваются рекомендуемым током, и в тоже время появляется возможность производить регулирование яркости за счет подачи питания с высокой частотой. Изменение периода вызывает изменение яркости.

Рабочий цикл можно представить как соотношение времени включения и выключения питания поступающего на светодиод. Допустим, если рассмотреть цикл в одну секунду и при этом в выключенном состоянии светодиод будет 0,1 сек., а во включенном 0,9 сек., то получается что свечение составит около 90% от номинального значения.

Описание шим регулятора яркости

Самый простой способ для достижения данного высокочастотного переключения – применение микросхемы , одой из самых распространенных и самых универсальных микросхем, когда-либо созданных. Схема ШИМ регулятора, показанная ниже предназначен для использования в качестве диммера для питания светодиодов (12 вольт) или регулятора скорости вращения для двигателя постоянного тока на 12 В.

В данной схеме, сопротивление резисторов к светодиодам необходимо подобрать, чтобы обеспечить прямой ток в 25 мА. В результате общий ток трех линеек светодиодов составит 75мА. Транзистор должен быть рассчитан на ток не менее 75 мА, но лучше взять с запасом.

Эта схема диммера осуществляет регулировку от 5% до 95%, но используя германиевые диоды вместо , диапазон может быть расширен от 1% до 99% от номинального значения.

Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода () на PIC-микроконтроллере.

PIC10F320/322 это безупречный вариант для конструирования различных регуляторов освещения. При этом мы обретаем достаточно конструктивно навороченный прибор с наименьшей стоимостью и незначительными затратами времени на построение. Рассмотрим несколько вариантов диммера.

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного , при этом яркость изменяется от 0 до 100%

Яркость свечения светодиодов устанавливается потенциалом сниманием с переменного резистора R1. Это изменяемое напряжение идет на ввод RA0, функционирующий как аналоговый ввод и подсоединенный к входу AN2 АЦП микроконтроллера. Вывод ШИМ RA1 контролирует силовой ключ на транзисторе V1.

Силовой транзистор возможно выбрать произвольный с логическим уровнем управления, то есть это те транзисторы, которые при получении 1…2 вольта на затвор целиком открывают свой канал.

К примеру транзистором IRF7805 возможно управлять током до 13 ампер соблюдая необходимые требования, а при любых других условиях до 5 ампер гарантировано. Разъем CON1 необходим, лишь для внутрисхемного программирования микроконтроллера, для этой же цели необходимы и сопротивления R2 и R5, то есть если микроконтроллер запрограммирован, то все эти радиоэлементы возможно не ставить.

Сопротивление R4 и BAV70 служат для защиты от перенапряжения и неправильного включения источника питания. Емкости C1 и C2 керамические и служат для снижения импульсных помех, и для надежности функционирования стабилизатора LM75L05.

Второй вариант. Здесь управление яркостью светодиодов так же осуществляется переменным резистором, а включение и выключение выполняется кнопками.

Третий вариант. Как видно в схеме отсутствует переменный резистор. В данном варианте управление яркостью свечения светодиодов выполняется исключительно двумя кнопками. Регулировка ступенчатая, изменение яркости происходит с каждым последующим нажатием.

Четвертый вариант. По сути такой же, как и третий вариант, но при удержании нажатой кнопки происходит плавное изменение свечения светодиодов.

Если упустить подробности и объяснения, то схема регулировки яркости светодиодов предстанет в самом простом виде. Такое управление отлично от метода ШИМ, который мы рассмотрим чуть позже.
Итак, элементарный регулятор будет включать в себя всего четыре элемента:

  • блок питания;
  • стабилизатор;
  • переменный резистор;
  • непосредственно лампочка.

И резистор, и стабилизатор можно купить в любом радиомагазине. Подключаются они точно так, как показано на схеме. Отличия могут заключаться в индивидуальных параметрах каждого элемента и в способе соединения стабилизатора и резистора (проводами или пайкой напрямую).

Собрав своими руками такую схему за несколько минут, вы сможете убедиться, что меняя сопротивление, то есть, вращая ручку резистора, вы будете осуществлять регулировку яркости лампы.

В показательном примере аккумулятор берут на 12 Вольт, резистор на 1 кОм, а стабилизатор используют на самой распространенной микросхеме Lm317. Схема хороша тем, что помогает нам сделать первые шаги в радиоэлектронике. Это аналоговый способ управления яркость. Однако он не подойдет для приборов, требующих более тонкой регулировки.

Необходимость в регуляторах яркости

Теперь разберем вопрос немного подробнее, узнаем, зачем нужна регулировка яркости, и как можно по-другому управлять яркостью светодиодов.

  • Самый известный случай, когда необходим регулятор яркости для нескольких светодиодов, связан с освещением жилого помещения. Мы привыкли управлять яркостью света: делать его мягче в вечернее время, включать на всю мощность во время работы, подсвечивать отдельные предметы и участки комнаты.
  • Регулировать яркость необходимо и в более сложных приборах, таких как мониторы телевизоров и ноутбуков. Без нее не обходятся автомобильные фары и карманные фонарики.
  • Регулировка яркости позволяет экономить нам электроэнергию, если речь идет о мощных потребителях.
  • Зная правила регулировки, можно создать автоматическое или дистанционное управление светом, что очень удобно.

В некоторых приборах просто уменьшать значение тока, увеличивая сопротивление, нельзя, поскольку это может привести к изменению белого цвета на зеленоватый. К тому же увеличение сопротивления приводит к нежелательному повышенному выделению тепла.

Выходом из, казалось бы, сложной ситуации стало ШИМ управление (широтно-импульсная модуляция). Ток на светодиод подается импульсами. Причем значение его либо ноль, либо номинальное – самое оптимальное для свечения. Получается, что светодиод периодически то загорается, то гаснет. Чем больше время свечении, тем ярче, как нам кажется, светит лампа. Чем меньше время свечения, тем лампочка светит тусклее. В этом и состоит принцип ШИМ.

Управлять яркими светодиодами и светодиодными лентами можно непосредственно с помощью мощных МОП-транзисторов или, как их еще называют, MOSFET. Если же требуется управлять одной-двумя маломощными светодиодными лампочками, то в роли ключей используют обычные биполярные транзисторы или подсоединяют светодиоды напрямую к выходам микросхемы.

Вращая ручку реостата R2, мы будет регулировать яркость свечения светодиодов. Здесь представлены светодиодные ленты (3 шт.), которые присоединили к одному источнику питания.

Зная теорию, можно собрать схему ШИМ устройства самостоятельно, не прибегая к готовым стабилизаторам и диммерам. Например, такую, как предлагается на просторах интернета.

NE555 – это и есть генератор импульсов, в котором все временные характеристики стабильны. IRFZ44N – тот самый мощный транзистор, способный управлять нагрузкой высокой мощности. Конденсаторы задают частоту импульсов, а к клеммам «выход» подсоединятся нагрузка.

Поскольку светодиод обладает малой инертностью, то есть, очень быстро загорается и гаснет, то метод ШИМ регулирования является оптимальным для него.

Готовые к использованию регуляторы яркости

Регулятор, который продается в готовом виде для светодиодных ламп, называются диммером. Частота импульсов, создавая им, достаточно велика для того, чтобы мы не чувствовали мерцания. Благодаря ШИМ контролеру осуществляется плавная регулировка, позволяющая добиваться максимальной яркости свечения или угасания лампы.

Встраивая такой диммер в стену, можно пользоваться им, как обычным выключателем. Для исключительно удобства регулятор яркости светодиодов может управляться радио пультом.

Способность ламп, созданных на основе светодиодов, менять свою яркость открывает большие возможности для проведения световых шоу, создания красивой уличной подсветки. Да и обычным карманным фонариком становится значительно удобнее пользоваться, если есть возможность регулировать интенсивность его свечения.

ШИМ-регулятор яркости на МК ATmega8, с батарейным питанием, и индикацией заряда.

Статья предназначена для лиц, обладающих некоторыми знаниями по радиоэлектронике, а именно:

  • что такое микроконтроллер и как его прошить,
  • что такое ШИМ-регулирование,
  • что такое светодиодный драйвер.

Проект придумывался для установки на велосипед. С чего всё начиналось. Мы с друзьями частенько участвовали в ночных вело-покатушках, поэтому нужна была фара на велосипед. Ну а обычный фонарик ставить не хотелось… нужно было что-нибудь по функциональней. Например, с регулировкой яркости «маленькая / средняя / максимальная», а так как в качестве питания планировалось использовать литий-ионный аккумулятор, то нужен был ещё и индикатор уровня заряда. В интернете я видел много подобных проектов, но они чем-то меня не устраивали. Например, мне встречались проекты ШИМ-регуляторов яркости, но у них либо отсутствовал индикатор уровня заряда, либо индикатор уровня заряда был на 1…3 светодиодах, а мне не нравилась такая маленькая информативность. Ну что ж, делать так делать, и я взялся за сборку своего проекта. Итак, в качестве индикатора заряда я беру 10 светодиодов, а вернее, беру светодиодный «столбик», вот такой:

Данный светодиодный «столбик» я заказал в интернет-магазине (в нашем городе отсутствуют радиомагазины), поэтому он приедет только через пару недель. Вместо него я временно поставил 10 обычных светодиодов.

В качестве управляющего микроконтроллера я использовал ATmega8 (либо ATmega328), так как у данного МК имеется АЦП, при помощи которого я организовал измерение уровня заряда аккумулятора. Также у данного МК имеется достаточное количество выводов (а мы ведь хотим подключить аж 10 светодиодов). Данный микроконтроллер распространён в радиомагазинах, и стоит отностиельно дёшево – в пределах 50…100 рублей, в зависимости от жадности магазина и типа корпуса.

Чтобы понять, как работает устройство, посмотрим на блок-схему:

В данной статье описывается только то, что касается ШИМ-регулятора (левая часть блок-схемы), а драйвер светодиода и сам светодиод Вы выбираете на свой вкус, тот который Вам больше подходит. Мне подходит драйвер ZXSC400, поэтому его я буду рассматривать как пример.

ШИМ-регулятор должен быть подключен к светодиодному драйверу, у которого есть функция регулировки яркости (DIM, PWM, и т. п.), например, ZXSC400. Можно использовать любой другой подходящий драйвер, главное чтобы он поддерживал ШИМ-регулировку яркости, и питался от того же аккумулятора, которым питается ШИМ-регулятор. Для тех, кто не знает что такое светодиодный драйвер – поясню: драйвер нужен для того, чтобы светодиод светился одинаково ярко как при заряженном аккумуляторе, так и при севшем аккумуляторе. Иными словами – драйвер светодиода поддерживает стабильный ток через светодиод.

Типовая схема включения светодиодного драйвера ZXSC400:

Питание этой схемы нужно соединить с питанием нашего ШИМ-регулятора, а ШИМ-выход с регулятора нужно подключить ко входу «STDN» драйвера ZXSC400. Вывод «STDN» как раз служит для регулировки яркости при помощи ШИМ сигнала. Аналогичным способом можно подключить ШИМ-регулятор ко многим другим светодиодным драйверам, но это уже отдельная тема.

Алгоритм работы устройства. При подаче питания, МК на 1 секунду отображает уровень заряда аккумулятора (на светодиодной шкале из 10 светодиодов), затем светодиодная шкала гаснет, МК переходит в режим энергосбережения, и ждёт команд управления. Всё управление я сделал на одной кнопке, чтобы на велосипеде тянуть меньше проводов. При удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор включается, на ШИМ-выход подаётся сигнал со скважностью 30% (1/3 яркости светодиода). При повторном удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор выключается, на ШИМ-выход не подаётся сигнал (скважность 0%). При кратковременном нажатии на кнопку, происходит переключение яркости 30% - 60% - 100%, а также на 1 секунду отображается заряд аккумулятора. Таким образом, однократное нажатие изменяет яркость светодиода, а долгое нажатие включает/выключает светодиод. Для проверки работоспособности ШИМ-регулятора, я подключил к его выходу обычный светодиод, но ещё раз повторюсь – исключительно в целях проверки работоспособности. В дальнейшем я подключу ШИМ-регулятор к драйверу ZXSC400. Более подробно и наглядно работа устройства показывается на видео (ссылка в конце статьи).

Также процесс регулировки яркости показывает следующая схема:

Что делать, если не устраивают данные значения яркости? Например, хочется чтобы было так: 1 %, затем 5 %, затем 100 %. Я предусмотрел и такой вариант. Теперь пользователь может сам установить эти три значения яркости, какие ему хочется! Для этого я написал небольшую программку, которая на основе желаемых значений генерирует файл для прошивки EEPROM. Прошив в микроконтроллер данный файл, яркости соответственно поменяются на желаемые. Прилагаю скриншот окна программы:

Если не прошивать файл EEPROM, то значения яркости останутся «по умолчанию» - 30 %, 60 %, 100 %. Правильно собранное устройство не нуждается в настройке. При желании можно лишь настроить минимальную, среднюю, и максимальную яркость по своему усмотрению. Программка и инструкция по использованию находятся в конце статьи.

Выбор используемого аккумулятора. Я использовал Li-ion аккумулятор ввиду его распространённости и дешевизны. Но в схеме я предусмотрел перемычку J1, при помощи которой можно выбрать, что мы используем в качестве питания.

Если перемычка J1 находится в положении «1», то используется один Li-ion аккумулятор. Если перемычка J1 находится в положении «2», то используются три обычные батарейки типа AAA/AA/C/D, соединённые последовательно. Перемычка J1 необходима для правильного отображения уровня заряда аккумулятора, так как у Li-ion аккумулятора рабочее напряжение находится примерно в диапазоне 3,3…4,2в, а у обычных батареек рабочее напряжение примерно равно 3,0…4,5в. Таблицы соответствия напряжений аккумулятора с показаниями индикатора я приложил внизу статьи.

Индикаторные светодиоды. Светодиоды, отображающие уровень заряда аккумулятора, могут быть любыми. Подстроить их яркость в небольших пределах можно при помощи изменения номинала токоограничивающего резистора R1. Для отображения уровня заряда используется динамическая индикация, благодаря которой достигается экономия энергии, так как в один момент времени светится только один светодиод. Про индикацию уровня заряда аккумулятора также можно посмотреть на видео (ссылка в конце статьи).

Микроконтроллер может быть как ATmega8, так и ATmega328. Оба этих микроконтроллера совместимы по расположению контактов, и различаются лишь содержанием «прошивки». Я использовал ATmega328, так как этот МК был у меня в наличии. В целях снижения энергопотребления, микроконтроллер работает от внутреннего RC-генератора на 1 МГц. Программа микроконтроллера написана в среде 4.3.6.61 (или 4.3.9.65).

В схеме применена микросхема-источник опорного напряжения TL431. С её помощью достигается неплохая точность измерения напряжения аккумулятора. Питание на TL431 подаётся с вывода PC1 микроконтроллера через резистор R3. Подача напряжения питания на TL431 происходит только во время индикации уровня заряда. После того, как светодиоды индикации гаснут, подача питающего напряжения прекращается, обеспечивая экономию энергии аккумулятора. Микросхему TL431 можно найти в негодных блоках питания от компьютеров, в сломанных зарядных устройствах от сотовых телефонов, в импульсных блоках питания от ноутбуков и различной радиоэлектронной техники. Я применил TL431 в корпусе SOIC-8 (smd вариант), но TL431 больше распространена в корпусе TO-92, поэтому я сделал несколько вариантов печатных плат.

Об эмуляции в программе " ". Проект в Proteus работает некорректно. Ввиду того, что модель ATmega8 не выходит из спящего режима, а также с тормозами отображается динамическая индикация. Если после запуска проекта, сразу удерживать кнопку, чтобы ШИМ-регулятор включился, то всё работает. Но стОит повторным удерживанием кнопки выключить ШИМ-регулятор, как МК погрузится в сон, и больше не проснётся (до перезапуска проекта). Проект в Proteus не прилагаю. Кто хочет поиграться – пишите, вышлю проект в Proteus.

Основные технические характеристики:

  • Напряжение питания, при котором гарантируется работоспособность: 2,8 ... 5 вольт
  • Частота ШИМ сигнала: 244 Гц
  • Частота динамической индикации шкалы из 10 светодиодов: 488 Гц (на 10 светодиодов) или 48,8 Гц (на каждый светодиод)
  • Количество режимов яркости, переключаемых по циклу: 3 режима
  • Возможность изменения пользователем яркости каждого из режимов: Имеется

Ниже вы можете скачать прошивки для МК ATmega8 и ATmega328

Шутов Максим, г.Вельск

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
U1 МК AVR 8-бит

ATmega8-16PU

1 В блокнот
U2 ИС источника опорного напряжения

TL431ILP

1 В блокнот
Резисторы
R1, R2 Резистор постоянный SMD 1206

330 Ом

2 В блокнот
R3 Резистор постоянный SMD 1206

1 кОм

1 В блокнот
R4 Резистор постоянный SMD 1206

10 кОм

1 В блокнот
R5 Резистор постоянный SMD 1206

47 кОм

1 В блокнот
Резистор постоянный SMD 1206

Микросхема NCP1014 представляет собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой преобразования и встроенным высоковольтным ключом. Дополнительные внутренние блоки, реализованные в составе микросхемы (см. рис. 1), позволяют ей обеспечить весь спектр функциональных требований, предъявляемых к современным источникам питания.

Рис. 1.

Контроллеры серии NCP101X были подробно рассмотрены в статье Константина Староверова в номере 3 журнала за 2010 год, поэтому, в статье мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых особенностей микросхемы NCP1014 , а основное внимание уделим рассмотрению особенностей расчета и механизма работы ИП, представленного в эталонном дизайне.

Особенности контроллера NCP1014

  • Интегрированный выходной 700-вольтовый MOSFET-транзистор с малым сопротивлением открытого канала (11Ом);
  • обеспечение выходного тока драйвера до 450мА;
  • возможность работы на нескольких фиксированных частотах преобразования- 65 и 100кГц;
  • частота преобразования варьируется в пределах ±3…6% относительно ее предустановленного значения, что позволяет «размыть» мощность излучаемых помех в пределах определенного частотного диапазона и тем самым снизить уровень EMI;
  • встроенная высоковольтная система питания способна обеспечить работоспособность микросхемы без применения трансформатора с третьей вспомогательной обмоткой, что в значительной мере упрощает намотку трансформатора. Данная особенность обозначается производителем как DSS (Dynamic Self-Supply — автономное динамическое питание), однако его использование ограничивает выходную мощность ИП;
  • возможность работать с максимальной эффективностью при малых токах нагрузки благодаря режиму пропуска импульсов ШИМ, что позволяет добиться малой мощности холостого хода- не более 100мВт при питании микросхемы от третьей вспомогательной обмотки трансформатора;
  • переход в режим пропуска импульсов происходит при снижении тока потребления нагрузки до значения 0,25 от номинально заданного, что снимает проблему генерации акустических шумов даже при использовании недорогих импульсных трансформаторов;
  • реализована функция плавного запуска (1мс);
  • вывод обратной связи по напряжению напрямую подключается к выходу оптопары;
  • реализована система защиты от короткого замыкания с последующим возвратом в нормальный режим работы после его устранения. Функция позволяет отслеживать как непосредственно короткое замыкание в нагрузке, так и ситуацию с обрывом цепи обратной связи в случае повреждения развязывающей оптопары;
  • встроенный механизм защиты от перегрева.

Контроллер NCP1014 выпускается в корпусах трех типов — SOT-223, PDIP-7 и PDIP-7 GULLWING (см. рис. 2) с расположением выводов, показанном на рис. 3. Последний корпус является особой версией корпуса PDIP-7 со специальной формовкой выводов, что делает его пригодным для поверхностного монтажа.

Рис. 2.

Рис. 3.

Типовая схема применения контроллера NCP1014 в обратноходовом (Flyback ) преобразователе представлена на рисунке 4.

Рис. 4.

Метод расчета ИП на базе контроллера NCP1014

Рассмотрим метод пошагового расчета обратноходового преобразователя на базе NCP1014 на примере эталонной разработки ИП выходной мощностью до 5 Вт для питания системы из трех последовательно-включенных светодиодов . В качестве светодиодов рассмотрены одноваттные белые светодиоды с током нормировки 350 мА и падением напряжения 3,9 В.

Первым шагом является определение входных, выходных и мощностных характеристик разрабатываемого ИП:

  • диапазон входного напряжения — Vac(min) = 85В, Vac(max) = 265В;
  • выходные параметры- Vout= 3х3,9В ≈ 11,75В, Iout = 350мА;
  • выходная мощность- Pout= VoutхIout = 11,75 Вх0,35 А ≈ 4,1Вт
  • входная мощность- Pin = Pout/h, где h — оценочный КПД = 78%

Pin = 4,1 Вт/0,78 = 5,25 Вт

  • диапазон входного напряжения по постоянному току

Vdc(min) = Vdc(min) х 1,41 = 85 х 1,41 = 120 В (dc)

Vdc(max) = Vdc(max) х 1,41 = 265 х 1,41 = 375 В (dc)

  • средний входной ток — Iin(avg) = Pin / Vdc(min) ≈ 5,25/120 ≈ 44мА
  • пиковый входной ток- Ipeak= 5хIin(avg) ≈ 220мА.

Первым входным звеном является предохранитель и EMI-фильтр, и их выбор является вторым шагом при проектировании ИП. Предохранитель должен выбираться исходя из значения тока разрыва, и в представленной разработке выбран предохранитель с током разрыва 2 А. Мы не будем углубляться в процедуру расчета входного фильтра, а лишь отметим, что степень подавления синфазных и дифференциальных помех в значительной мере зависит от топологии печатной платы, а также близости расположения фильтра к разъему питания.

Третьим шагом является расчет параметров и выбор диодного моста. Ключевыми параметрами здесь являются:

  • допустимое обратное (блокирующее) напряжение диода- VR ≥ Vdc(max) = 375В;
  • прямой ток диода- IF ≥ 1,5хIin(avg) = 1,5х0,044 = 66мА;
  • допустимый ток перегрузки (surge current ), который может достигать пятикратного значения среднего тока:

IFSM ≥ 5 х IF = 5 х 0,066 = 330 мА.

Четвертым шагом является расчет параметров входного конденсатора, устанавливаемого на выход диодного моста. Размеры входного конденсатора определяются пиковым значением выпрямленного входного напряжения и заданным уровнем входных пульсаций. Больший входной конденсатор обеспечивает более низкие значения пульсаций, но увеличивает пусковой ток ИП. В общем случае емкость конденсатора определяется следующей формулой:

Cin = Pin/, где

fac — частота сети переменного тока (60 Гц для рассматриваемого дизайна);

DV — допустимый уровень пульсаций (20% от Vdc(min) в нашем случае).

Cin = 5,25/ = 17 мкФ.

В нашем случае мы выбираем алюминиевый электролитический конденсатор емкостью 33 мкФ.

Пятым и основным шагом является расчет моточного изделия — импульсного трансформатора. Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета источника питания. Основными функциями трансформатора в обратноходовом преобразователе является накопление энергии при замкнутом управляющем ключе и протекании тока через его первичную обмотку, а затем — ее передача во вторичную обмотку при отключении питания первичной части схемы.

С учетом входных и выходных характеристик ИП, рассчитанных на первом шаге, а также требования по обеспечению работы ИП в режиме непрерывного тока трансформатора, максимальное значение коэффициента заполнения (duty cycle ) равно 48%. Все расчеты трансформатора мы будем проводить, основываясь на данном значении коэффициента заполнения. Обобщим расчетные и заданные значения ключевых параметров:

  • частота работы контроллера fop= 100 кГц
  • коэффициент заполнения dmax= 48%
  • минимальное входное напряжение Vin(min) = Vdc(min) — 20% = 96В
  • выходная мощность Pout= 4,1Вт
  • оценочное значение КПДh = 78%
  • пиковое значение входного тока Ipeak= 220мА

Теперь мы можем произвести расчет индуктивности первичной обмотки трансформатора:

Lpri = Vin(min) х dmax/(Ipeak х fop) = 2,09 мГн

Соотношение количества витков обмоток определяется уравнением:

Npri/Nsec = Vdc(min) х dmax/(Vout + V F х (1 — dmax)) ≈ 7

Нам осталось проверить способность трансформатора «прокачать» через себя требуемую выходную мощность. Сделать это можно с помощью следующего уравнения:

Pin(core) = Lpri х I 2 peak х fop/2 ≥ Pout

Pin(core) = 2,09 мГн х 0,22 2 х 100 кГц/2 = 5,05 Вт ≥ 4,1 Вт.

Из результатов следует, что наш трансформатор может прокачать требуемую мощность.

Можно заметить, что здесь мы привели далеко не полный расчет параметров трансформатора, а лишь определили его индуктивные характеристики и показали достаточную мощность выбранного решения. По расчету трансформаторов написано множество трудов, и читатель может найти интересующие его методики расчета, например в или . Освещение этих методик выходит за рамки данной статьи.

Электрическая схема ИП, соответствующая проведенным расчетам, представлена на рисунке 5.

Рис. 5.

Теперь пришла пора ознакомиться с особенностями приведенного решения, расчет которых не был приведен выше, но которые имеют большое значение для функционирования нашего ИП и понимания особенностей реализации защитных механизмов, реализуемых контроллером NCP1014.

Особенности работы схемы, реализующей ИП

Вторичная часть схемы состоит из двух основных блоков — блока передачи тока в нагрузку и блока питания цепи обратной связи.

При замкнутом управляющем ключе (прямой режим) работает схема питания цепи обратной связи, реализованная на диоде D6, токозадающем резисторе R3, конденсаторе C5 и стабилитроне D7, задающем совместно с диодом D8 требуемое напряжение питания (5,1 В) оптопары и шунт-регулятора IC3.

Во время обратного хода энергия, запасенная в трансформаторе, передается в нагрузку через диод D10. Одновременно осуществляется зарядка накопительного конденсатора C6, который сглаживает выходные пульсации и обеспечивает постоянное напряжение питания нагрузки. Ток нагрузки задается резистором R6 и контролируется шунт-регулятором IC3.

ИП имеет защиту от отключения нагрузки и короткого замыкания нагрузки. Защиту от КЗ осуществляет шунт-регулятор TLV431, основная роль которого — регулятор цепи ОС. Короткое замыкание возникает при условии короткого пробоя всех нагрузочных LED (в случае выхода из строя одного или двух LED их функции принимают на себя параллельные стабилитроны D11…D13). Значение резистора R6 подбирается так, чтобы при рабочем токе нагрузки (350 мА в нашем случае) падение напряжения на нем составляло менее 1,25 В. При возникновении КЗ ток через R6 резко возрастает, что приводит к открыванию шунта IC3 и включению оптопары IC2 и заставляет контроллер NCP1014 уменьшить выходное напряжение.

Механизм защиты от отключения нагрузки основан на включении стабилитрона D9 параллельно нагрузке. В условиях размыкания цепи нагрузки и, как следствие, повышения выходного напряжения ИП до 47 В происходит открытие стабилитрона D9. Это приводит к включению оптопары и заставляет контроллер снизить выходное напряжение.

Желаете познакомиться с NCP1014 лично? — Нет проблем!

Для тех, кто перед началом разработки собственного ИП на базе NCP1014 хочет убедиться в том, что это действительно простое, надежное и эффективное решение, компания ONSemiconductor выпускает несколько типов оценочных плат (см таблицу 1, рис. 6; доступны для заказа через компанию КОМПЭЛ).

Таблица 1. Обзор оценочных плат

Код заказа Наименование Краткое описание
NCP1014LEDGTGEVB Драйвер светодиодов мощностью 8 Вт с коэффициентом мощности 0,8 Плата разработана с целью демонстрации возможности построения LED-драйвера с коэффициентом мощности > 0,7 (стандарт Energy Star) без применения дополнительной микросхемы PFC. Выходная мощность (8 Вт) делает представленное решение идеальным для питания структур подобных Cree XLAMP MC-E, содержащих четыре последовательных светодиода в одном корпусе.
NCP1014STBUCGEVB Неинвертирующий понижающий преобразователь Плата является доказательством утверждения, что контроллера NCP1014 достаточно для построения ИП низкого ценового диапазона для жестких условий работы.

Рис. 6.

Кроме того, существует еще несколько примеров готового дизайна различных ИП, помимо рассмотренного в статье. Это и 5 Вт AC/DC-адаптер для сотовых телефонов , и еще один вариант ИП для LED , а также большое количество статей по применению контроллера NCP1014, которые вы можете найти на официальном сайте компании ONSemiconductor — http://www.onsemi.com/ .

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором ONSemiconductor и поэтому на нашем сайте вы всегда можете найти информацию о доступности и стоимости микросхем, выпускаемых ONS, а также заказать опытные образцы, в том числе и NCP1014.

Заключение

Использование контроллера NCP1014, выпускаемого компанией ONS, позволяет разрабатывать высокоэффективные AC/DC-преобразователи для питания нагрузки стабилизированным током. Грамотное использование ключевых возможностей контроллера позволяет обеспечить безопасность работы конечного ИП в условиях размыкания или короткого замыкания нагрузки при минимальном числе дополнительных электронных компонентов.

Литература

1. Константин Староверов «Применение контроллеров NCP101X/102X при разработке сетевых источников питания средней мощности», журнал «Новости электроники», №3 , 2010, сс. 7-10.

4. Мэк Раймонд. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. Пряничникова С.В., М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2008, — 272 с.: ил.

5. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов, Л.: Энергоатомиздат, 1991, — 208 с.: ил.

6. TND329-D. «5W Cellular Phone CCCV AC-DC Adepter»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND329-D.PDF .

7. TND371-D. «Offline LED Driver Intended for ENERGY STAR»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

NCP4589 — LDO-регулятор
с автоматическим энергосбережением

NCP4589 — новый КМОП LDO-регулятор на 300 мА от ON Semiconductor . NCP4589 переключается в режим низкого потребления при малой токовой нагрузке и автоматически переключается обратно в «быстрый» режим, как только нагрузка на выходе превышает 3 мА.

NCP4589 может быть переведен в режим постоянной быстрой работы посредством принудительного выбора режима (управлением по специальному входу).

Основные характеристики NCP4589:

  • Рабочий диапазон входных напряжений: 1,4…5,25В
  • Выходной диапазон напряжений: 0,8…4,0В (с шагом 0,1В)
  • Входной ток в трех режимах:

      • Режим низкого потребления — 1,0 мкА при V OUT < 1,85 В

      Быстрый режим — 55 мкА

      Режим энергосбережения — 0,1 мкА

  • Минимальное падение напряжения: 230мВ при I OUT = 300мА, V OUT = 2,8В
  • Высокий коэффициент подавления пульсаций по напряжению: 70дБ при 1кГц (в быстром режиме).

NCP4620 — LDO-регулятор с широким диапазоном входных напряжений

NCP4620 — это КМОП LDO-регулятор на ток 150 мА от ON Semiconductor с диапазоном входных напряжений от 2,6 до 10 В. Устройство имеет высокую точность на выходе — порядка 1% — с низким температурным коэффициентом ±80 ppm/°C.

NCP4620 имеет защиту от перегрева и вход отключения (Enable), представлен в модификациях со стандартным выходом и выходом с автоматическим разрядом (Auto Discharge).

Основные характеристики NCP4620:

  • Диапазон рабочего входного напряжения от 2,6 до 10В (макс. 12В)
  • Диапазон выходных фиксированных напряжений от 1,2 до 6,0В (сшагом 100мВ)
  • Прямое минимальное падение напряжения- 165мВ (при 100мА)
  • Подавление пульсаций питания- 70дБ
  • Отключение питания микросхемы при перегреве до 165°C
Похожие статьи