Повышающий драйвер для светодиодов из блока питания от принтера и МС L6561

Автор: Enemigo
Опубликовано 21.11.2018
Создано при помощи КотоРед.

Рассмотрим нестандартное приложение микросхемы корректора коэффициента мощности для создания повышающего преобразователя, который можно использовать, как источник постоянного тока при питании цепочки светодиодов. За основу взят блок питания от старого струйного принтера. Этот блок питания, согласно маркировки, обеспечивает два стабильных напряжения 32В и 24В с током 0,95А и 0,75А соответственно. Таким образом, линия 32В может обеспечить максимум 30Вт энергии. Построим повышающий преобразователь мощностью около 20Вт, т.е. мы собираемся запитать цепочку светодиодов током 0,3А при напряжении около 60В. Для этого используем микросхему L6561, которая предназначена для преобразования переменного сетевого напряжения в постоянное.

Идея

Микросхема L6561 использует вход CS для отслеживания тока через индуктор. В момент запуска на выходе GD появляется напряжение, близкое к напряжению питания, которое открывает транзистор. При превышении напряжения на токовом датчике некоторого порогового уровня транзисторный ключ закрывается и индуктор отдает запасенную в нем энергию в нагрузку. Согласно документации, пороговое значение на входе CS составляет 1,7В, что неприемлемо для нашего приложения с малым током в нагрузке. Но, пороговое напряжение способно изменяться в зависимости от двух факторов:

1. Напряжение на входе COMP

2. Напряжение на входе MULT.

Вход COMP управляет углом наклона прямой, связывающей вход MULT с порогом CS. Диаграмма

Воспользуемся этим. Установим на входе COMP минимальное допустимое напряжение 2.8В (если сделать меньше микросхема включает режим экономии), а на входе MULT 2,5В. Тогда пороговое напряжение на входе CS будет около 0,2В. Нужное напряжение на выходе COMP получить путем настройки соответствующей обратной связи встроенного усилителя, а на вход MULT подавать напряжение с входа INV, т.к. там как раз за счет обратной связи установится 2,5В.

Чтобы схема не взрывалась без нагрузки, заведем обратную связь на вход INV через диод.

Еще одна особенность микросхемы L6561 - это алгоритм запуска очередного цикла зарядки индуктора. Для этого используется вход ZCD, на котором должен произойти перепад напряжения: рост выше 2В и спад до уровня 1,6В запускает новый цикл. В стандартной схеме ККМ вывод ZCD подключен к выводу вторичной обмотки индуктора. Если сделать также, у нас получится повышающий преобразователь, работающий в переходном режиме с большими колебаниями тока от нуля до максимума. Мы же будем обеспечивать нужный перепад "вручную", используя внешний конденсатор и цепи его заряда-разряда для преобразования энергии в режиме непрерывного тока.

Напряжение питания микросхемы будем брать с понижающего источника, запитанного от 24В, который можно построить на базе чипа 7812.

Расчеты

Обозначим выходное напряжение Vout = 60В, входное напряжение Vin = 32В, выходной ток Iout = 0,3А, частоту преобразования f = 100кГц. Выберем индуктивность катушки L = 1мГ.

Вычислим коэффициент преобразования k = Vout/Vin = 60/32 = 0,533.

Вычислим амплитуду колебаний тока в индукторе DI = Vout / (2 f L) * k * (1 - k) = 0,025А.

Определим максимальный ток в индукторе Imax = Iout/k + DI = 0,587А.

Определим минимальный ток в индукторе Imin = Iout/k - DI = 0,538А.

Проверяем:

Время отрытого ключа ton = 2*L*DI/Vin = 4,667мкс

Время закрытого ключа toff = 2*L*DI/(Vout-Vin) = 5,333мкс

Частота f = 1/(ton + toff) = 100кГц

Выходной ток Iout = (Imax + Imin)/(2*(1+ton/toff)) = 0,3А

Подбор элементов

Выбор элементов схемы следует начать с индуктора. Если индуктивность известна, следует выполнить расчеты из предыдущего раздела и далее выбирать остальные компоненты. Если индуктивность неизвестна, можно установить требуемый ток регулировкой резистора R1 и/или R3 при наладке схемы. В реализованной схеме использован дроссель от КЛЛ мощности 20Вт неизвестной индуктивности.

Обозначим максимальное напряжение на входе ZCD (согласно документации на схему) Vzcd_clamp = 5,7В, напряжение срабатывания (та же документация) Vzcd_trigger = 1,6В и вычислим коэффициент

c = ln(Vzcd_clamp/Vzcd_trigger) = 1.27.

Выберем C2 = 1нФ, а R1 вычислим по формуле R1 = toff/(c*C2) = 4,198кОм.

В реальности можно поставить, что-либо близкое к расчетному, например, 3,9кОм-4,3кОм, а затем установить требуемый ток на выходе с помощью R3.

Вспомогательные R9, C3 не ставятся вовсе или ставятся тех номиналов, как указано на схеме или близкие к ним (они обеспечивают более быстрый заряд конденсатора С2).

Резистор шунта R5 можно устанавливать от 0,33Ом и выше, но следует помнить, что при высоких номиналах шунта увеличивается их нагрев. Максимальное сопротивление 2,9Ом будет рассеивать мощность 1Вт. Если вас устраивает такой расклад, нет необходимости городить обратную связь на выходе COMP и его можно просто замкнуть на MULT. Пороговое напряжение будет около 1,7В.

Обратная связь по напряжению в таких схемах необходима. Иначе при включении без нагрузки или при выходе из строя диодов цепочки напряжение на выходе будет некотролируемо расти с нехорошими последствиями. Выход INV нами уже задействован в схеме обратной связи встроенного усислителя. Но, в микросхеме ограничение напряжения на выходе сделано хитрым образом. В усилителе имеется датчик входного тока. Разработчики схемы предположили, что в установившемся режиме на входе INV будет 2,5В и ток в этот вход не течет. Когда напряжение на выходе зашкаливает, ток начинает проникать в усилитель, где обнаруживается специальным датчиком. При токе 40мкА микросхема блокируется. Воспользуемся этим. Подадим часть напряжения со выхода устройства на вход INV через развязочный диод. Таким образом делитель напряжения следует расчитывать так: резистор R6 должен обеспечивать ток больше 40мкА. Соблюсти соотношение (R6+R7)/R7 = Vcr/2.8В. При номиналах, указанных на схеме ограничение дает Vcr = 80В на выходе. Здесь не учтена утечка через R3, левое плечо нужно в расчетах пристраивать параллельно R7. Сойдет и так: высокая точность ограничения напряжения здесь ни к чему

Диод D1 (Fast) и ключ Q1 должны быть с максимально допустимым напряжением пробоя выше 100В.

Конденсатор C1 служит для ограничения колебаний тока через диоды. Расчитан на напряжение 100В. Емкость нужна от 1мкФ, чем больше тем лучше. Нельзя подключать светодиоды ко входу устройства после его включения т.к. на конденсаторе присутствует повышенное напряжение. При высокой емкости заряда может хватить, чтобы вывести из строя светодиоды

Наладка

При отключенном ключе движком R3 установить на входе COMP напряжение 2,8В или чуть ниже. Установить ключ. Проверить на выходе устройства наличие высокого напряжения. Разрядить конденсатор через лампу накаливания. Подключить лампу накаливания. Проверить выходой ток и напряжение. Мощность на выходе должна быть грубо близка к расчетной (не выше). Установить светодиоды. Движком R3 установить требуемый ток 0,3А. Точность поддержания тока во времени не высокая - ток слегка, но растет с нагревом светодиодов, поэтому не рекомендуется выставлять на выходе предельную величину тока по паспорту для светодиодов при наладке.

При наличии осцилографа установить расчетное ton движком R3, toff движком R1. Проконтролировать насыщение дросселя.

При желании можно организовать диммирование светодиодов за счет корректировки тока, протекающего через них. Для этого меняется напряжение на входе MULT от 0 до 2,5В, но в середине диапазона может наблюдаться неустойчивое свечение. Как вариант можно сделать трех режимный переключатель 100%/30%/0% яркости.

Все вопросы в Форум.