Korábban készítettem, PT4115 IC-vel megvalósított LED áramgenerátorokat, melyek lecserélése céljából terveztem ezt az újabb konstans áramú tápegységet. A PT4115 IC-kkel készített tápok egyébként egy zavaró tényező leszámításával teljesen jól üzemeltek. Működtetésük során tapasztaltam egy nemkívánatos jelenséget, melyre csak hosszas használat során derült fény, ez pedig a rádiófrekvenciás zavarkibocsátás. Miután egy komplett szettet legyártottam ebből az áramgenerátorból, gondoltam valahogy megpróbálom kiszűrni ezt a zavart, de több heti kísérletezés sem vezetett eredményre. Értem el részleges sikereket LC szűrőkkel, de a kapcsolóüzemű szabályozó által keltett impulzusokat nem sikerült kiszűrnöm még dupla LC taggal sem, így valamennyi zavar mindig visszakerült a tápvonalra, mely behálózva a mennyezetet nagyszerűen üzemelt, mint antenna és a világítás működtetésekor gyakorlatilag teljesen megszűnt a rádióvétel a legtöbb frekvencián 5-10 méteres körzetben. Mivel ez nem volt cél és borzasztóan zavart, valamint hosszas számolgatás, kísérletezés és méretezés után sem sikerült jó hatásfokú szűrőt készítenem, mely 9 darab lámpa esetén is masszívan leszedi ezeket a zavarokat. Elhatároztam, hogy alternatív megoldást keresek.
Mivel korábban már foglalkoztam a kapcsolóüzemű tápegységek lelki világával, illetve majd öt éven át ilyen áramköröket javítottam megvizsgáltam több lehetőséget is. Így került végül figyelmem középpontjába a sok kapcsolóüzemű konverterben felbukkanó UC3845 IC. Ez egy integrált kapcsolóüzemű szabályozó áramkör, melyet rengeteg tápegységben alkalmaznak már hosszú idők óta.
UC3845 rövid bemutatása
Nézzük meg a felépítését egy kicsit. Az adatlapja szerint az alábbiakat tudja:
Áram módú szabályozás egészen 500kHz frekvenciáig
Állítható Deadtime
Belső referenciafeszültség előállítás
Nagy áramú kimenet (maximum 1A) MOSFET akár közvetlen meghajtásához
Alacsony bemeneti feszültség esetére védelem
Működési feszültség maximum 30V
Az IC tartalmaz egy oszcillátort, ami a PWM jel alapjául szolgáló négyszögjelet állítja elő. A frekvenciáját meghatározó RC tagot a tokon kívül kell hozzákapcsolni, így egyedileg állítható be a működési frekvencia.
Található a tokban egy hibaerősítő, melynek nem invertáló bemenete egy feszültségosztóval Vref/2 feszültségre van kapcsolva. Az erősítő invertáló bemenete, illetve a kimenete használható fel hurok kompenzáció kialakításához, áram módú szabályozás stabilitásának növeléséhez, lágyindítás kialakításához, feszültség szerinti vezérléshez.
Az IC rendelkezik még egy áram visszacsatoló bemenettel, mely egy komparátor bemenetére kerül és a hibaerősítőtől érkező feszültséggel komparálva vezérli az oszcillátortól érkező négyszögjel kimenetre történő kapuzását. Nagyon részleteibe itt nem mennék bele az UC3845 működésébe, mert nem ez az elsődleges cél. Akit érdekel, megtalálja a részletes információkat az alkatrész gyári adatlapjában. Tehát a Latching PWM modulban előáll a PWM jel, mely kitöltési tényezője ennél az IC típusnál maximum 50% lehet.
A kimenet meghajtása még össze van kapuzva az UVLO egységgel, mely nem más, mint egy komparátorral megvalósított feszültségszint kapcsoló, angolul undervoltage lockout. Ennek az egységnek az a feladata, hogy egy bizonyos tápfeszültség szint alatt letiltsa a kimenetet. Ez a feszültségszint itt jellemzően 8V körül van. Erre azért van szükség, mert a kimenetről meghajtott MOSFET ilyen gate feszültség mellett már nem biztos, hogy teljesen nyitásba vezérelhető, ami a félvezető számára nem túl hosszú működési időt eredményezne amellett, hogy jelentősen melegedni kezdene.
A kimenet egy Totem Pole típusú tranzisztoros meghajtófokozatot tartalmaz, mely maximum 1A terhelést képes elviselni, így akár közvetlenül is képes MOSFET meghajtására.
A LED meghajtó áramkör működése
3db 1W-os teljesítmény LED-et fogok áramgenerátoros tápforrással meghajtani. A LED-ekről tápegység tervezéséhez a legfontosabb információ az a nyitófeszültség és a meghajtásukhoz használandó áram nagysága. Az alkalmazott LED-ek nyitófeszültsége jellemzően 3,1V, munkaáramuk 350mA. Ahhoz, hogy a LED-ekből kihozzam a maximális élettartamot két fontos dolgot kell szem előtt tartani. Egyik a munkaponti áram szigorú betartása, mely 350mA-től kevesebb lehet, de több semmi esetre sem. kevesebb áram mellett alacsonyabb fényerő lesz az eredmény, szóval túl alacsony árammal sem jó operálni, mert akkor nem használjuk ki a maximális teljesítményt. Másik fontos dolog a diódák hűtése. Egy nem megfelelően hűtött dióda hatásfoka hamar csökkenni kezd, mely idővel szemmel látható fényerő csökkenést eredményez, majd a LED visszafordíthatatlan tönkremeneteléhez vezet. A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható olcsó LED lámpát itt hibázzák el.
A nem túl részletekbe menő, de már így is hosszasra sikeredett bevezető után lássuk a konkrét kapcsolási rajzot. Középen az UC3845 és körülötte az alkatrészek. Haladjunk sorban.
A rendszeremet egy 250VA teljesítményű toroid transzformátor működteti, mely szekunder tekercséről 18V váltakozó feszültséget szállítok a lámpával felszerelt helyiségekhez. Ott a betáplálási ponton ezt egyenirányítom egy Graetz híd segítségével, majd az egyenfeszültségű részt jól megpufferelem egy 10000uF-os elektrolit kondenzátorral, így előáll nagyjából 25,4V DC feszültség a lámpák számára.
A bemeneten megérkezik a 24V egyenfeszültség, mely áthalad L1 soros ferritmagos induktivitáson, aminek az a szerepe, hogy a táp felől jelentkező impulzusokat elsimítsa, azok ne juthassanak vissza a tápvonalra. Ezt nem sikerült megoldanom a PT4115 esetében. A D1 soros dióda védelmi szerepet lát el fordított polaritás esetén történő bekötésnél. A lényeg, hogy ez a dióda legalább 1A áramot képes legyen átvezetni, így jelen alkalmazása során nem fog melegedni. kis nyitófeszültségének köszönhetően kevés feszültség esik rajta.
A betápot ismét C1 pufferbe vezetem, ami fontos a lámpa és a szabályozó stabil működtetéséhez. Egy jó lámpa tápforrása a terhelés következtében nem ingadozhat. Én nem a spórolásra mentem rá, így 1000uF-ot építettem be, ami egyébként a mérések alapján pont megfelelő. Az UC3845 tápját és a kimenetre vezetett tápfeszültség elágaztatását lehetőség szerint a pufferkondenzátor lábánál ajánlatos megtenni, így a kimeneti terhelés kevésbé fogja zajossá tenni a szabályozó tápfeszültségét. A szabályozó a tápot R2 ellenálláson keresztül kapja, amit az IC láb mellet még C2 igyekszik „hidegíteni”.
A frekvenciát meghatározó RC tag R4 és C4 a rajzon lévő értékekkel nagyjából 115kHz-es frekvenciát állít be az oszcillátor számára. A szükséges tápot Vref stabil 5V-ja adja, melyet C3 kondenzátorral igyekeztem stabilabbá tenni.
R3, C6 a hibaerősítő visszacsatolási hurkát valósítja meg. Itt apró trükkhöz folyamodtam, ugyanis a feszültség visszacsatoló bemenetet nem használom szabályozásra, így R1 ellenállással a tápfeszültségre kötve, gyakorlatilag letiltom a szabályozót. Ez baj lenne, de a trükk abban áll, hogy Vfb bemenetet testpontra téve a szabályozó ismét engedélyezhető. Ez alkalmassá teszi egy másfajta szabályázási lehetőség kialakítását, ami a fényerő vezérlése lesz.
PWM bemeneten egy négyszögjellel R9 ellenálláson keresztül T1 tranzisztorral el tudom érni, hogy a vezérlésre használt PWM jel ütemében ki/be kapcsoljam a szabályozót, ezzel megvalósítva a dimmelés funkciót. Néhány száz herzes PWM jellel már a szem számára észrevehetetlen módon meg lehet oldani a fényerő precíz szabályozását a vezérlő PWM jel kitöltési tényezőjének változtatásával. Az így megvalósított szabályozási karakterisztika viszont nem lineáris. Ahhoz, hogy látszólag lineáris fényerőállítást valósítsunk meg, a vezérlőjel kitöltési tényezőjének logaritmikus emelését kell elérni.
Én egyelőre nem veszem még hasznát a PWM bemenetnek, mert a szabályozóm még nem készült el, viszont ahhoz, hogy a lámpák működjenek a T1 tranzisztort ki kell nyitni. Erre azt találtam ki, hogy egy 47k ellenállással a PWM bemenetet összekötöm a 24V tápfeszültséggel.
R6 ellenálláson keresztül közvetlenül meghajtom Q1 MOSFET-et, mely a LED-ek áramkörét működteti. Ha Q1 nyitva van, akkor az L2 induktivitáson, LED1, LED2, LED3 diódákon, Q1 félvezetőn és R7 R8 párhuzamosan kötött ellenállásokon keresztül áram fog folyni egy adott ideig.
Hogy meddig? L2 induktivitás bekapcsolásának pillanatában mágneses térnek kell kialakulni a tekercs körül. Ahogy épül fel a mágneses tér, L2 impedanciája annak arányában csökken, azaz egyre nagyobb áram tud folyni a LED-eken keresztül. Ha növekszik a LED-eken átfolyó áram, az azt is jelenti, hogy R7, R8 ellenállásokon egyre nagyobb feszültség fog esni. Egy kritikus időpillanatban ez a pici feszültség meghaladja az Isense komparátor invertáló bemenetén jelenlévő feszültséget. Ekkor a komparátor átbillen, majd a kimenet 0V-ra esik, MOSFET lezár, áramkör megszakad. Az oszcillátor következő felfutó éle ismét bekapcsolja a kimenetet és kezdődik a folyamat előröl.
P1080882_1200.JPG
Korábban készítettem, PT4115 IC-vel megvalósított LED áramgenerátorokat, melyek lecserélése céljából terveztem ezt az újabb konstans áramú tápegységet. A PT4115 IC-kkel készített tápok egyébként egy zavaró tényező leszámításával teljesen jól üzemeltek. Működtetésük során tapasztaltam egy nemkívánatos jelenséget, melyre csak hosszas használat során derült fény, ez pedig a rádiófrekvenciás zavarkibocsátás. Miután egy komplett szettet legyártottam ebből az áramgenerátorból, gondoltam valahogy megpróbálom kiszűrni ezt a zavart, de több heti kísérletezés sem vezetett eredményre. Értem el részleges sikereket LC szűrőkkel, de a kapcsolóüzemű szabályozó által keltett impulzusokat nem sikerült kiszűrnöm még dupla LC taggal sem, így valamennyi zavar mindig visszakerült a tápvonalra, mely behálózva a mennyezetet nagyszerűen üzemelt, mint antenna és a világítás működtetésekor gyakorlatilag teljesen megszűnt a rádióvétel a legtöbb frekvencián 5-10 méteres körzetben. Mivel ez nem volt cél és borzasztóan zavart, valamint hosszas számolgatás, kísérletezés és méretezés után sem sikerült jó hatásfokú szűrőt készítenem, mely 9 darab lámpa esetén is masszívan leszedi ezeket a zavarokat. Elhatároztam, hogy alternatív megoldást keresek.
Mivel korábban már foglalkoztam a kapcsolóüzemű tápegységek lelki világával, illetve majd öt éven át ilyen áramköröket javítottam megvizsgáltam több lehetőséget is. Így került végül figyelmem középpontjába a sok kapcsolóüzemű konverterben felbukkanó UC3845 IC. Ez egy integrált kapcsolóüzemű szabályozó áramkör, melyet rengeteg tápegységben alkalmaznak már hosszú idők óta.
UC3845 rövid bemutatása
Nézzük meg a felépítését egy kicsit. Az adatlapja szerint az alábbiakat tudja:
Az IC tartalmaz egy oszcillátort, ami a PWM jel alapjául szolgáló négyszögjelet állítja elő. A frekvenciáját meghatározó RC tagot a tokon kívül kell hozzákapcsolni, így egyedileg állítható be a működési frekvencia.
Található a tokban egy hibaerősítő, melynek nem invertáló bemenete egy feszültségosztóval Vref/2 feszültségre van kapcsolva. Az erősítő invertáló bemenete, illetve a kimenete használható fel hurok kompenzáció kialakításához, áram módú szabályozás stabilitásának növeléséhez, lágyindítás kialakításához, feszültség szerinti vezérléshez.
Az IC rendelkezik még egy áram visszacsatoló bemenettel, mely egy komparátor bemenetére kerül és a hibaerősítőtől érkező feszültséggel komparálva vezérli az oszcillátortól érkező négyszögjel kimenetre történő kapuzását. Nagyon részleteibe itt nem mennék bele az UC3845 működésébe, mert nem ez az elsődleges cél. Akit érdekel, megtalálja a részletes információkat az alkatrész gyári adatlapjában. Tehát a Latching PWM modulban előáll a PWM jel, mely kitöltési tényezője ennél az IC típusnál maximum 50% lehet.
A kimenet meghajtása még össze van kapuzva az UVLO egységgel, mely nem más, mint egy komparátorral megvalósított feszültségszint kapcsoló, angolul undervoltage lockout. Ennek az egységnek az a feladata, hogy egy bizonyos tápfeszültség szint alatt letiltsa a kimenetet. Ez a feszültségszint itt jellemzően 8V körül van. Erre azért van szükség, mert a kimenetről meghajtott MOSFET ilyen gate feszültség mellett már nem biztos, hogy teljesen nyitásba vezérelhető, ami a félvezető számára nem túl hosszú működési időt eredményezne amellett, hogy jelentősen melegedni kezdene.
A kimenet egy Totem Pole típusú tranzisztoros meghajtófokozatot tartalmaz, mely maximum 1A terhelést képes elviselni, így akár közvetlenül is képes MOSFET meghajtására.
A LED meghajtó áramkör működése
3db 1W-os teljesítmény LED-et fogok áramgenerátoros tápforrással meghajtani. A LED-ekről tápegység tervezéséhez a legfontosabb információ az a nyitófeszültség és a meghajtásukhoz használandó áram nagysága. Az alkalmazott LED-ek nyitófeszültsége jellemzően 3,1V, munkaáramuk 350mA. Ahhoz, hogy a LED-ekből kihozzam a maximális élettartamot két fontos dolgot kell szem előtt tartani. Egyik a munkaponti áram szigorú betartása, mely 350mA-től kevesebb lehet, de több semmi esetre sem. kevesebb áram mellett alacsonyabb fényerő lesz az eredmény, szóval túl alacsony árammal sem jó operálni, mert akkor nem használjuk ki a maximális teljesítményt. Másik fontos dolog a diódák hűtése. Egy nem megfelelően hűtött dióda hatásfoka hamar csökkenni kezd, mely idővel szemmel látható fényerő csökkenést eredményez, majd a LED visszafordíthatatlan tönkremeneteléhez vezet. A legtöbb kereskedelmi forgalomban kapható olcsó LED lámpát itt hibázzák el.
A nem túl részletekbe menő, de már így is hosszasra sikeredett bevezető után lássuk a konkrét kapcsolási rajzot. Középen az UC3845 és körülötte az alkatrészek. Haladjunk sorban.
A rendszeremet egy 250VA teljesítményű toroid transzformátor működteti, mely szekunder tekercséről 18V váltakozó feszültséget szállítok a lámpával felszerelt helyiségekhez. Ott a betáplálási ponton ezt egyenirányítom egy Graetz híd segítségével, majd az egyenfeszültségű részt jól megpufferelem egy 10000uF-os elektrolit kondenzátorral, így előáll nagyjából 25,4V DC feszültség a lámpák számára.
A bemeneten megérkezik a 24V egyenfeszültség, mely áthalad L1 soros ferritmagos induktivitáson, aminek az a szerepe, hogy a táp felől jelentkező impulzusokat elsimítsa, azok ne juthassanak vissza a tápvonalra. Ezt nem sikerült megoldanom a PT4115 esetében. A D1 soros dióda védelmi szerepet lát el fordított polaritás esetén történő bekötésnél. A lényeg, hogy ez a dióda legalább 1A áramot képes legyen átvezetni, így jelen alkalmazása során nem fog melegedni. kis nyitófeszültségének köszönhetően kevés feszültség esik rajta.
A betápot ismét C1 pufferbe vezetem, ami fontos a lámpa és a szabályozó stabil működtetéséhez. Egy jó lámpa tápforrása a terhelés következtében nem ingadozhat. Én nem a spórolásra mentem rá, így 1000uF-ot építettem be, ami egyébként a mérések alapján pont megfelelő. Az UC3845 tápját és a kimenetre vezetett tápfeszültség elágaztatását lehetőség szerint a pufferkondenzátor lábánál ajánlatos megtenni, így a kimeneti terhelés kevésbé fogja zajossá tenni a szabályozó tápfeszültségét. A szabályozó a tápot R2 ellenálláson keresztül kapja, amit az IC láb mellet még C2 igyekszik „hidegíteni”.
A frekvenciát meghatározó RC tag R4 és C4 a rajzon lévő értékekkel nagyjából 115kHz-es frekvenciát állít be az oszcillátor számára. A szükséges tápot Vref stabil 5V-ja adja, melyet C3 kondenzátorral igyekeztem stabilabbá tenni.
R3, C6 a hibaerősítő visszacsatolási hurkát valósítja meg. Itt apró trükkhöz folyamodtam, ugyanis a feszültség visszacsatoló bemenetet nem használom szabályozásra, így R1 ellenállással a tápfeszültségre kötve, gyakorlatilag letiltom a szabályozót. Ez baj lenne, de a trükk abban áll, hogy Vfb bemenetet testpontra téve a szabályozó ismét engedélyezhető. Ez alkalmassá teszi egy másfajta szabályázási lehetőség kialakítását, ami a fényerő vezérlése lesz.
PWM bemeneten egy négyszögjellel R9 ellenálláson keresztül T1 tranzisztorral el tudom érni, hogy a vezérlésre használt PWM jel ütemében ki/be kapcsoljam a szabályozót, ezzel megvalósítva a dimmelés funkciót. Néhány száz herzes PWM jellel már a szem számára észrevehetetlen módon meg lehet oldani a fényerő precíz szabályozását a vezérlő PWM jel kitöltési tényezőjének változtatásával. Az így megvalósított szabályozási karakterisztika viszont nem lineáris. Ahhoz, hogy látszólag lineáris fényerőállítást valósítsunk meg, a vezérlőjel kitöltési tényezőjének logaritmikus emelését kell elérni.
Én egyelőre nem veszem még hasznát a PWM bemenetnek, mert a szabályozóm még nem készült el, viszont ahhoz, hogy a lámpák működjenek a T1 tranzisztort ki kell nyitni. Erre azt találtam ki, hogy egy 47k ellenállással a PWM bemenetet összekötöm a 24V tápfeszültséggel.
R6 ellenálláson keresztül közvetlenül meghajtom Q1 MOSFET-et, mely a LED-ek áramkörét működteti. Ha Q1 nyitva van, akkor az L2 induktivitáson, LED1, LED2, LED3 diódákon, Q1 félvezetőn és R7 R8 párhuzamosan kötött ellenállásokon keresztül áram fog folyni egy adott ideig.
Hogy meddig? L2 induktivitás bekapcsolásának pillanatában mágneses térnek kell kialakulni a tekercs körül. Ahogy épül fel a mágneses tér, L2 impedanciája annak arányában csökken, azaz egyre nagyobb áram tud folyni a LED-eken keresztül. Ha növekszik a LED-eken átfolyó áram, az azt is jelenti, hogy R7, R8 ellenállásokon egyre nagyobb feszültség fog esni. Egy kritikus időpillanatban ez a pici feszültség meghaladja az Isense komparátor invertáló bemenetén jelenlévő feszültséget. Ekkor a komparátor átbillen, majd a kimenet 0V-ra esik, MOSFET lezár, áramkör megszakad. Az oszcillátor következő felfutó éle ismét bekapcsolja a kimenetet és kezdődik a folyamat előröl.
Végezetül néhány kép a kész modulról.