Люминесцентный светильник с лупой QUICK. Переделка на светодиоды

Когда у меня в лаборатории появился светильник с бестеневой подсветкой и линзой в середине, поначалу домочадцы восприняли аксессуар как отягощающее дополнение в когорту паяльников, осциллографов, генераторов и милливольтметров.

Но довольно быстро светильник стал востребован для всех членов семьи. Оказалось, с его помощью удобно почитать рецепт, напечатанный микроскопическим шрифтом, вытащить занозу, пошить на швейной машинке и выполнить еще много полезных домашних дел.

Неприятность пришла неожиданно: в один из дней лампа светильника надежно вышла из строя. Такая лампа отсутствовала в магазине радиодеталей, но девушка приняла заказ, произнеся фразу, которая, как выяснилось потом, была ключевой: «Посмотрите, сколько у нас светильников! Выбирайте любой!».

Лампу так и не привезли, и я решил переделать люминесцентный светильник в светодиодный светильник.

↑ Вечный светодиодный светильник. Это реально?

Ресурс современных сверхъярких светодиодов белого цвета свечения достигает 100000 (сто тысяч!) часов. При ежесуточной пятичасовой работе срок службы должен быть свыше 50 лет. Иными словами, получаем вечный светильник!

Вскоре я получил контр примеры этой позитивной информации. Сослуживцы по работе повально увлеклись заказом светодиодных ламп из поднебесной, и через короткое время оно принесло свои плоды: ко мне стали стекаться вышедшие из строя «вечные» светодиодные лампы.

Анализ показал, что в лампах выходил из строя один и более светодиод из последовательно включенных нескольких десятков.

Причиной, скорее всего, является низкая надежность элементной базы. Но решающую роль может играть и схемотехника сетевого источника питания с балластным конденсатором (рис. 1).



При включении в сеть через светодиоды могут протекать недопустимые импульсы тока. Кроме того, отсутствует защита от импульсных помех, которые также могут быть причиной выхода светодиодов из строя.

Решение проблемы лежит на поверхности: применение ограничителя для защиты от импульсных помех и источника тока для надежной работы светодиодов [1].

Следует надеяться, что при таком подходе и надежной элементной базе вполне возможно создать близкий к «вечному» светодиодный светильник.

↑ Принципиальная схема улучшенного светодиодного светильника

показана на рис. 2. Устройство включает драйвер светодиодов – устройство преобразования переменного сетевого напряжения в ток, протекающий через светодиоды и N сверхъярких светодиодов EL1…ELN.

Драйвер светодиодов содержит мостовой выпрямитель VD2, сглаживающий конденсатор С2, стабилизатор тока на интегральном параллельном стабилизаторе DA1 и транзисторе VT1.

Такая схема подключения светодиодов непосредственно к сети переменного тока получила название Direct – AC — Drive.



Резистор R1 выполняет сразу несколько функций: ограничения тока пробоя симметричного ограничительного диода (сапрессора) VD1 при его срабатывании от импульсной помехи и источника зарядного тока конденсаторов С1 и С2.

Кроме того, цепь R1, C1 образует фильтр нижних частот, снижающий уровень высокочастотных и импульсных помех.

Также резистор R1 выполняет роль предохранителя, перегорающего при пробое элементов схемы (конденсаторов С1, С2, сапрессора VD1 и диодного моста VD2).

Следует особо подчеркнуть роль конденсатора С2, снижающего пульсации выпрямленного напряжения и повышающего яркость свечения светодиодов.

Дело в том, что мерцание источника света с частотой питающей сети может крайне негативно сказаться на здоровье человека. Исследования показали, что такие пульсации могут быть причиной эпилепсии примерно у одного из 400 человек [2].

Сапрессор VD1 ограничивает импульсные помехи, значительно повышая надежность устройства.

Стабилизатор тока отличается от предложенного в [1, 3, 4] наличием конденсатора С3, предотвращающего его возможную нестабильную работу. Стабилизируемый ток Iн задается резистором R3:
Iн=2,5/R3,
где 2,5 В – напряжение на входе управления (вывод 1) параллельного стабилизатора DA1, R3 – сопротивление резистора, Ом.

При R3=130 Ом значение тока составит 20 мА, что вполне достаточно для значительной номенклатуры сверхярких светодиодов.

По аналогии с [5, рис. 4] в драйвере светодиодов Direct – AC – Drive можно применить источник тока на двух транзисторах, причем в данном случае вместо биполярного высоковольтного транзистора дешевле поставить полевой, рис. 3.



Напряжение на коллекторе транзистора VT1 зависит от значения порогового напряжения затвор – исток полевого транзистора VT2 (около 3,5 В).

Для плавного, без бросков тока входа в рабочий режим при включении питания и устранения возможной паразитной генерации включен конденсатор С3.

Так же, как и в предыдущей схеме, стабилизируемый ток задается резистором R3:
Iн=0,5/R3,
где 0,5 В – напряжение база – эмиттер транзистора VT1, R3 – сопротивление резистора, Ом.
Печатная плата — Светильник QUICK с лупой. Переделка на LED. Вариант MOSFET-драйвера светодиодов

↑ Детали и печатная плата драйвера светильника

Конденсатор С1 может быть как импортный пленочный помехоподавляющий емкостью 0,15…0,47 мкФ с номинальным переменным напряжением не ниже 250 В, так и отечественный К78-2, К73-17 с рабочим напряжением 400 В и более.

Обратное напряжение диодного моста VD2 не менее 800 В, выпрямленный ток – не менее 1 А. Можно применить мост из отдельных светодиодов с такими же параметрами (1N4007, КД247Д, КД257Г).

Параллельный стабилизатор TL431CLP можно заменить отечественным КР142ЕН19А.

Транзистор VT1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение 300 В и более при рассеиваемой на коллекторе мощности не менее 10 Вт. Статический коэффициент передачи тока h21э должен быть не менее 30. Кроме указанного на принципиальной схеме транзистора подойдут 2SC1446, 2SC2241 или отечественные КТ8108Б, КТ8127А1.

В схеме, показанной на рис. 3 транзистор VT1 можно заменить на КТ3102 с любым буквенным индексом, высоковольтный полевой транзистор VT2 типа IRF840 – на IRFBC40, FQP9N50C и другие аналогичные.

Сверхъяркие светодиоды могут быть любого типа и габаритных размеров, способные надежно работать при токе 20 мА.

Следует учесть, что сверхъяркие светодиоды чувствительны к перегреву, поэтому при пайке необходимо принять меры к его недопущению, например, использовать теплоотводы, изготовленные на основе зажима «крокодил».

Многие детали для этой конструкции можно заказать в датагорском интернет–магазине «Радиодетали — почтой!».

↑ Печатная плата драйвера светодиодов

с размещением деталей показана на рис. 4.

↑ Выбор числа светодиодов светильника

Для большинства сверхъярких светодиодов диаметром 3 и 5 мм, а также бескорпусных подобных габаритов прямое падение напряжения составляет 3…3,7 В.

Светильник не боится коротких замыканий в нагрузке; при этом максимальная рассеиваемая на коллекторе VT1 мощность составит 0,02·296≈6 Вт.

Для повышения КПД светильника следует обеспечить небольшую мощность рассеяния на коллекторе VT1, исходя из работы в возможно широком интервале сетевых напряжений.

Например, бескорпусные светодиоды от китайских светодиодных ламп имеют прямое падение напряжения в диапазоне от 2,98 до 3,05 В. Выбираем число светодиодов N=85; при этом напряжение на коллекторе VT1 при изменении сетевого напряжения на ±10% будет меняться от 10 до 69 В.

Светодиоды размещены на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм, представляющей собой часть круга с внутренним диаметром 96,5 мм и внешним 120 мм. Печатная плата не приводится, поскольку учитывает специфику конкретного светильника.

↑ Другие решения драйверов Direct – AC — Drive [6]

используют специально разработанные микросхемы стабилизаторов тока типа CCR (Constant Current Regulator), например, NSIxxx компании On Semiconductor; CL220, CCSL-1/2/3/4 фирмы Supertex Inc. и др.

Для эффективной работы стабилизатора тока в большом диапазоне изменения сетевого напряжения без снижения КПД используется, как правило, энергия накопительного коммутируемого конденсатора.
На рис. 5 показан простейший вариант бестрансформаторного драйвера светодиодов с применением стабилизатора тока NSI45020AT1G (On Semiconductor) и накопительного конденсатора.


Для коммутации конденсатора С2 применяется устройство управления на ключах VT1, VT2.
При открывании ключа на транзисторе VT2 происходит зарядка накопительного конденсатора С2 от сети переменного тока через выпрямительный мост VD1. При закрывании этого ключа происходит разрядка конденсатора через R5, EL1 – EL22 и DA1.

Микросхема DA1 представляет собой малогабаритный (в корпусе SOD-123) двухвыводной стабилизатор тока (20 мА), не требующий дополнительных внешних элементов.

Напряжение, при котором открывается ключ VT1, определяется параметрами стабилитрона VD2 (43 В). В этом случае падение напряжения на стабилизаторе тока DA1 изменяется в заданном диапазоне и его всегда можно контролировать.

Таким образом, потребляемый от сети ток носит импульсный характер и протекает только в процессе зарядки конденсатора С2, при этом мгновенное значение амплитуды сетевого напряжения не превышает 43 В.

При явных преимуществах, таких как простота, надежность, низкая стоимость существенным недостатком драйверов, аналогичных приведенному на рис. 5, является невысокий коэффициент мощности, менее 0,9.

Уменьшить потери и увеличить коэффициент мощности до 0,9 и выше позволяет следующий подход. В идеальном случае по мере нарастания сетевого напряжения на величину падения напряжения на одном светодиоде (примерно 3,1 В для белых светодиодов), следует постепенно увеличивать число подключенных к сети светодиодов, а при снижении сетевого напряжения – отключать их. Для реализации этой идеи потребуется примерно 220•sqrt (2)/3,1=100 светодиодов и довольно сложное устройство управления.

При практическом внедрении данного подхода цепочку светодиодов разбивают на 3 – 6 секций и используют два варианта структурной схемы подключения светодиодов.

В первом используется несколько стабилизаторов и измерителей тока, протекающего через секции светодиодов. Такая структура реализована в микросхемах ACT801, CL8800/1, DR3062 и многих других.

Во втором варианте применен только один стабилизатор тока, а для коммутации секций светодиодов применяются полупроводниковые ключи, переключаемые специальным устройством управления. Подобный принцип построения бестрансформаторного драйвера реализован фирмой Texas Instruments в микросхеме TPS92411, представляющей собой по сути «плавающий» ключ с устройством управления.

На сайте компаний – производителей микросхем драйверов размещены Data Sheet упомянутых микросхем. Также выкладываются программы для расчета номинальных значений параметров компонентов.

Например, компания Supertex Inc. предлагает программу в табличном процессоре Excel для драйвера с использованием микросхемы CL8800, на web – сайте компании Texas Instruments можно найти программу (Excel) для драйвера светодиодов с использованием микросхемы TPS92411.

Самый существенный недостаток, присущий всем упомянутым бестрансформаторным драйверам светодиодов – пульсации тока через светодиоды с удвоенной частотой сети, и вследствие этого, повышенный коэффициент пульсаций освещенности.
Сфера применения – недорогие светильники для жилищно-коммунального хозяйства, системы интерьерной и архитектурной подсветки и др.

↑ Трансформаторные драйверы светодиодов

Высокие светотехнические и электрические параметры в широком диапазоне изменения сетевого напряжения обеспечивают импульсные AC/DC и DC/DC преобразователи [7 — 10]. В них отсутствуют недостатки драйверов на основе линейного стабилизатора тока.

Указанные преобразователи имеют хорошую развязку между сетью переменного тока и светодиодами, обладают высоким КПД, коэффициентом мощности PF и низким коэффициентом гармоник THD потребляемого от сети тока.
Без недостатков здесь тоже не обошлось:
 — Сравнительно высокая стоимость;
 — Сложность;
 — БОльшие габариты.

↑ Итоги

Светодиодная подсветка обеспечивает яркий, стабильный свет, и, будем надеяться, длительный срок службы светильника.

Реализованный драйвер на основе линейного стабилизатора тока поддерживает неизменное значение тока, протекающего через светодиоды. Драйвер обеспечивает незначительный уровень пульсаций тока через светодиоды, и, соответственно, низкий уровень пульсаций освещенности (менее 3%). Его очевидные недостатки:
 — Гальваническая связь между первичной сетью и светодиодами;
 — При работе в требуемом диапазоне изменения сетевого напряжения падение напряжения на транзисторе VT1 стабилизатора тока также меняется в значительных пределах, что вызывает увеличение потерь мощности и снижение КПД.

Исходя из отмеченных недостатков драйвера, следует уделить особое внимание защите пользователя от поражения электрическим током и эффективному отводу тепла от корпуса транзистора VT1.

↑ Благодарности

Выражаю благодарность Владимиру Васильевичу Макаренко, члену редакционной коллегии журнала «Электронные компоненты и системы» за предоставленную статью из журнала.

↑ Файлы

Схемы и печатная плата в архиве:
🎁lamp.7z  13.34 Kb ⇣ 102

↑ Список использованных источников

1. Мороз К. Сетевой светодиодный светильник // Радио, 2013, №3, с. 26, 27.
2. Есть ли у светодиодов «темная сторона»? // Радиолоцман, 2014, январь, с. 19 – 25.
3. Нечаев И. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А // Радио, 2003, №5, с. 53, 54.
4. Техническая документация на электронные компоненты семейства TL431CLP: цоколевка, типовые схемы применения.
5. Датагорская статья — Китайская игрушка «Проектор для рисования» и слово о правильном питании светодиода.
6. Охрименко В. Драйверы светодиодов // Электронные компоненты и системы, 2014, № 2 – 3, февраль — март, с. 14 — 22.
7. Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование. – Киев, МК-Пресс, 2007.
8. Косенко С. Сетевая светодиодная лампа с блоком питания на микросхеме Viper22A // Радио, 2010, №4, с. 21 – 23.
9. Косенко С. Светодиодная лампа с ИИП – стабилизатором тока // Радио, 2010, №12, с. 17 – 19.
10. Лазарев В., Голубин Д. Источник питания светодиодной лампы мощностью 8 Вт на HV9961 // Радио, 2015, №5, с. 36, 37.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации