Circuito de controlador LED sin transformador para diseños confiables de bombillas LED de bajo costo

Se dice que las bombillas LED son un 80% más eficientes que otras opciones de iluminación convencionales como las bombillas fluorescentes e incandescentes. La rápida adaptación de las bombillas LED ya se nota a nuestro alrededor y el valor de mercado global de las bombillas LED ha alcanzado alrededor de $ 5.4 mil millones en 2018. Un desafío, en el diseño de estas bombillas LED es que la luz LED, como sabemos, funciona con voltaje de CC y la red eléctrica. La fuente de alimentación es de CA, por lo tanto, necesitamos diseñar un circuito de controlador de LED que pueda convertir el voltaje de la red de CA en el nivel adecuado de voltaje de CC requerido para la bombilla LED. En este artículo, diseñaremos un circuito de controlador LED de bajo costo tan práctico utilizando el IC de conmutación LNK302 para alimentar cuatro LED (en serie) que pueden proporcionar 200 lúmenes que funcionan a 13,6 V y consumen alrededor de 100-150 mA.

Advertencia: Antes de continuar, es muy importante asegurarse de trabajar con extrema precaución cerca de la red de CA. El circuito y los detalles proporcionados aquí fueron probados y manejados por expertos. Cualquier percance puede provocar daños graves y también puede ser letal. Trabaje bajo su propio riesgo. Usted ha sido advertido.

Circuito de fuente de alimentación sin transformador

Se puede construir un circuito de controlador de LED muy crudo utilizando el método Capacitor Dropper, tal como lo hicimos en nuestro proyecto anterior de fuente de alimentación sin transformador. Si bien estos circuitos todavía se utilizan en algunos productos electrónicos muy baratos, adolecen de muchos inconvenientes que analizaremos más adelante. Por lo tanto, en este tutorial no usaremos el método Capacitor Dropper, sino que construiremos un circuito controlador LED confiable usando un IC de conmutación.

Inconveniente del circuito de fuente de alimentación sin transformador de caída de condensador

Este tipo de circuito de fuente de alimentación sin transformador es más económico que la fuente de alimentación conmutada estándar debido al bajo número de componentes y la ausencia de magnetismo (transformador). Utiliza un circuito cuentagotas de condensador que utiliza la reactancia de un condensador para reducir el voltaje de entrada.

Aunque este tipo de diseños sin transformador resulta muy útil en ciertos casos donde el costo de producción de un producto en particular tiene que ser menor, el diseño no proporciona Aislamiento Galvánico de la red de CA y, por lo tanto, solo debe usarse en productos que no entren en contacto directo. con los humanos. Por ejemplo, se puede usar en luces LED de alta potencia, donde el gabinete está hecho con plástico duro y ninguna parte del circuito está expuesta a la interacción del usuario una vez instalada. El problema con este tipo de circuitos es que si falla la fuente de alimentación, podría reflejar el alto voltaje de CA de entrada a través de la salida y eso puede convertirse en una trampa mortal.

Otro inconveniente es que estos circuitos están limitados a una corriente nominal baja. Esto se debe a que la corriente de salida depende del valor del condensador utilizado, para una clasificación de corriente más alta se debe utilizar un condensador muy grande. Esto es un problema porque los condensadores voluminosos también aumentan el espacio de la placa y aumentan el costo de producción. Además, el circuito no tiene circuito de protección, como protección contra cortocircuitos de salida, protección contra sobrecorriente, protección térmica, etc. Si es necesario agregarlos, también aumenta el costo y la complejidad. Incluso si todo se hace bien, no son fiables.

Entonces, la pregunta es, ¿existe alguna solución que pueda ser más barata, eficiente, simple y de menor tamaño junto con todos los circuitos de protección para hacer un circuito de controlador de LED de alta potencia de CA a CC no aislado? La respuesta es sí y eso es exactamente lo que vamos a construir en este tutorial.

Seleccionar el LED adecuado para su bombilla LED

El primer paso en el diseño de un circuito controlador de bombilla LED es decidir la carga, es decir, el LED que vamos a utilizar en nuestras bombillas. Los que usamos en este proyecto se muestran a continuación.

Los LED en la tira de arriba es un 5730 paquetes de LEDs blancos fríos de 0.5 vatios con un flujo luminoso de 57lm. El voltaje directo es de 3,2 V como mínimo al máximo de 3,6 V con una corriente directa de 120 a 150 mA. Por lo tanto, para producir 200 lúmenes de luz, se pueden utilizar 4 LED en serie. El voltaje requerido de esta tira será 3.4 x 4 = 13.6V y la corriente 100-120mA fluirá a través de cada leds.

Aquí está el esquema de los LED en serie:

LNK304 - Controlador LED IC

El controlador IC seleccionado para esta aplicación es LNK304. Puede proporcionar con éxito la carga requerida para esta aplicación junto con reinicio automático, cortocircuito y protección térmica. Las características se pueden ver en la siguiente imagen:

Seleccionar los otros componentes

La selección de otros componentes depende del controlador IC seleccionado. En nuestro caso, la hoja de datos, el diseño de referencia utiliza un rectificador de media onda que utiliza dos diodos de recuperación estándar. Pero en esta aplicación, usamos Diode Bridge para rectificación de onda completa. Puede aumentar el costo de producción, pero al final, las compensaciones del diseño también son importantes para la entrega de energía adecuada a través de la carga. El diagrama esquemático sin valores se puede ver en la siguiente imagen, ahora analicemos cómo seleccionar los valores

Por lo tanto, se selecciona el puente de diodos BR1 DB107 para esta aplicación. Sin embargo, también se puede seleccionar el puente de diodos de 500 mA para esta aplicación. Después del puente de diodos, se usa un filtro pi donde se requieren dos capacitores electrolíticos junto con un inductor. Esto rectificará la CC y también reducirá la EMI. Los valores de los condensadores seleccionados para esta aplicación son condensadores electrolíticos de 10 uF 400 V. Los valores deben ser superiores a los 2.2uF 400V. Para fines de optimización de costos, 4.7uF a 6.8uF puede ser la mejor opción.

Para el inductor, se recomienda más de 560uH con 1.5A de la clasificación actual. Por lo tanto, C1 y C2 se seleccionan para que sean 10uF 400V y L1 como 680uH y un puente de diodos DB107 de 1.5A para DB1.

La CC rectificada se alimenta al controlador IC LNK304. El pin de derivación debe estar conectado con la fuente mediante un condensador de 0.1uF 50V. Por lo tanto, C3 es un condensador cerámico de 0.1uF 50V. Se necesita que D1 sea un diodo ultrarrápido con un tiempo de recuperación inverso de 75 ns. Está seleccionado como UF4007.

FB es el pin de retroalimentación y la resistencia R1 y R2 se utilizan para determinar el voltaje de salida. El voltaje de referencia a través del pin FB es 1.635V, el IC cambia el voltaje de salida hasta que obtiene este voltaje de referencia en su pin de retroalimentación. Por lo tanto, utilizando una calculadora de divisor de voltaje simple, se puede seleccionar el valor de las resistencias. Entonces, para obtener 13.6V como salida, el valor de la resistencia se selecciona según la fórmula siguiente

Vout = (voltaje de fuente x R2) / (R1 + R2)

En nuestro caso, Vout es 1.635V, el voltaje de la fuente es 13.6V. Seleccionamos el valor R2 como 2.05k. Entonces, el R1 es 15k. Alternativamente, puede usar esta fórmula para calcular también el voltaje de la fuente. El condensador C4 se selecciona como 10uF 50V. D2 es un diodo rectificador estándar 1N4007. L2 es igual que L1 pero la corriente puede ser menor. L2 también es 680uH con una clasificación de 1.5A.

El condensador de filtro de salida C5 se selecciona como 100uF 25V. R3 es una carga mínima que se utiliza con fines de regulación. Para la regulación de carga cero, el valor se selecciona como 2,4k. El esquema actualizado junto con todos los valores se muestra a continuación.

Funcionamiento del circuito del controlador LED sin transformador

El circuito completo funciona en MDCM (modo de conducción en su mayoría discontinua) Topología de conmutación de inductores. La conversión de CA a CC se realiza mediante el puente de diodos y el filtro pi. Después de obtener la CC rectificada, la etapa de procesamiento de energía la realizan el LNK304 y D1, L2 y C5. La caída de voltaje en D1 y D2 es casi la misma, el capacitor C3 verifica el voltaje de salida y, dependiendo del voltaje en el capacitor C3, el LNK304 lo detecta usando el divisor de voltaje y regulando la salida de conmutación a través de los pines de la fuente.

Construyendo el circuito del controlador LED

Todos los componentes necesarios para la construcción del circuito, excepto inductores. Por lo tanto, tenemos que enrollar nuestro propio inductor utilizando alambre de cobre esmaltado. Ahora hay un enfoque matemático para calcular el tipo de núcleo, el grosor del cable, el número de vueltas, etc. Pero para simplificar, solo haremos algunas vueltas con la bobina y el cable de cobre disponibles y usaremos un medidor LCR para comprobar si hemos alcanzado el valor requerido. Dado que nuestro proyecto no es muy sensible al valor del inductor y la clasificación actual es baja, esta forma cruda funcionará bien. Si no tiene un medidor LCR, también puede usar un osciloscopio para medir el valor del inductor usando el método de frecuencia resonante.

La imagen de arriba muestra que los inductores están marcados y el valor es más de 800uH. Se utiliza para L1 y L2. También se hace una placa simple revestida de cobre para LED. El circuito está construido en un tablero.

Prueba del circuito del controlador LED

El circuito se prueba primero usando un VARIAC (transformador variable) y luego se verifica en voltaje de entrada universal que es voltaje de CA de 110 V / 220 V. El multímetro de la izquierda está conectado a través de la entrada de CA y otro multímetro de la derecha está conectado a través de un solo LED para verificar el voltaje de CC de salida.

La lectura se toma en tres tensiones de entrada diferentes. El primero en el lado izquierdo muestra un voltaje de entrada de 85 VCA y en un solo LED muestra 3.51 V, mientras que el voltaje del LED en diferentes voltajes de entrada está cambiando ligeramente. El video de trabajo detallado se puede encontrar a continuación.