Circuito de driver de led sem transformador para projetos confiáveis ​​de lâmpada led de baixo custo

Diz-se que as lâmpadas LED são 80% mais eficientes do que outras opções de iluminação convencionais, como lâmpadas fluorescentes e incandescentes. A rápida adaptação das lâmpadas LED já é perceptível ao nosso redor e o valor de mercado global das lâmpadas LED atingiu cerca de US $ 5,4 bilhões em 2018. Um desafio, ao projetar essas lâmpadas LED, é que a luz LED, como sabemos, funciona com tensão DC e rede elétrica a fonte de alimentação é AC, portanto, precisamos projetar um circuito de driver de LED que possa converter a tensão de alimentação AC em um nível adequado de tensão DC necessária para a lâmpada LED. Neste artigo, iremos projetar um circuito de driver de LED de baixo custo prático usando o IC Switching LNK302 para alimentar quatro LEDs (em série) que podem fornecer 200 lumens operando a 13,6 V e consumindo cerca de 100-150 mA.

Aviso: antes de prosseguirmos, é muito importante certificar-se de trabalhar com extremo cuidado perto da rede elétrica CA. O circuito e os detalhes fornecidos aqui foram testados e tratados por especialistas. Qualquer contratempo pode causar sérios danos e também pode ser letal. Trabalhe por sua própria conta e risco. Você foi avisado.

Circuito de fonte de alimentação sem transformador

Um circuito de driver de LED muito rudimentar pode ser construído usando o método Capacitor Dropper, assim como fizemos em nosso projeto anterior de fonte de alimentação sem transformador. Embora esses circuitos ainda sejam usados ​​em alguns produtos eletrônicos muito baratos, eles apresentam muitas desvantagens, que discutiremos mais tarde. Portanto, neste tutorial não usaremos o método Capacitor Dropper, em vez disso, construiremos um circuito de driver de LED confiável usando um CI de comutação.

Desvantagem do circuito de fonte de alimentação sem transfromer do capacitor Drop

Este tipo de circuito de fonte de alimentação sem transformador é mais barato do que a fonte de alimentação comutada padrão devido à baixa contagem de componentes e à ausência de magnetismo (transformador). Ele usa um circuito dropper de capacitor que usa a reatância de um capacitor para diminuir a tensão de entrada.

Embora este tipo de projetos sem transformador se mostre muito útil em certos casos onde o custo de produção de um determinado produto tem que ser menor, o projeto não fornece isolamento galvânico da rede elétrica CA e, portanto, deve ser usado apenas em produtos que não entram em contato direto com humanos. Por exemplo, pode ser usado em lâmpadas led de alta potência, onde o invólucro é feito de plástico rígido e nenhuma parte do circuito fica exposta para interação do usuário depois de instalada. O problema com esses tipos de circuitos é que, se a fonte de alimentação falhar, isso pode refletir a alta tensão CA de entrada na saída e isso pode se tornar uma armadilha mortal.

Outra desvantagem é que esses circuitos são limitados a baixa classificação de corrente. Isso ocorre porque a corrente de saída depende do valor do capacitor usado, para maior classificação de corrente, um capacitor muito grande deve ser usado. Isso é um problema porque capacitores volumosos também aumentam o espaço da placa e aumentam o custo de produção. Além disso, o circuito não tem circuito de proteção, como proteção contra curto-circuito de saída, proteção contra sobrecarga de corrente, proteção térmica, etc. Se eles precisarem ser adicionados, isso também aumenta o custo e a complexidade. Mesmo se tudo for bem feito, eles não são confiáveis.

Portanto, a questão é: existe alguma solução que possa ser mais barata, eficiente, simples e menor em tamanho, juntamente com todos os circuitos de proteção para fazer um circuito de driver de LED de alta potência CA a CC não isolado? A resposta é sim e é exatamente isso que vamos construir neste tutorial.

Selecionando o LED certo para sua lâmpada LED

O primeiro passo no projeto de um circuito acionador de lâmpada LED é decidir sobre a carga, ou seja, o LED que usaremos em nossas lâmpadas. Os que usamos neste projeto são mostrados abaixo.

Os LEDs na faixa acima são 5730 pacotes de LEDs brancos frios de 0,5 watts com um fluxo luminoso de 57lm. A tensão direta é de 3,2 V mínimo a 3,6 V máximo com uma corrente direta de 120 a 150 mA. Portanto, para produzir 200 lumens de luz, 4 LEDs podem ser usados ​​em série. A tensão necessária desta tira será de 3,4 x 4 = 13,6 V e a corrente de 100-120 mA fluirá através de cada leds.

Aqui está o esquema dos LEDs em série -

LNK304 - LED Driver IC

O driver IC selecionado para esta aplicação é o LNK304. Ele pode fornecer com sucesso a carga necessária para esta aplicação junto com reinicialização automática, curto-circuito e proteção térmica. Os recursos podem ser vistos na imagem abaixo -

Selecionando os outros componentes

A seleção de outros componentes depende do driver IC selecionado. Em nosso caso, a folha de dados, o projeto de referência usa um retificador de meia onda usando dois diodos de recuperação padrão. Mas nesta aplicação, usamos a ponte de diodo para retificação de onda completa. Isso pode aumentar o custo de produção, mas no final, as compensações do projeto também são importantes para o fornecimento de energia adequado através da carga. O diagrama esquemático sem valores pode ser visto na imagem abaixo, agora vamos discutir como selecionar os valores

Portanto, o Diode Bridge BR1 é o DB107 selecionado para esta aplicação. No entanto, a ponte de diodo de 500mA também pode ser selecionada para esta aplicação. Após a ponte de diodo, um filtro pi é usado onde dois capacitores eletrolíticos são necessários junto com um indutor. Isso retificará o DC e também reduzirá o EMI. Os valores dos capacitores selecionados para esta aplicação são capacitores eletrolíticos de 10uF 400V. Os valores precisam ser maiores que 2,2uF 400V. Para fins de otimização de custos, 4,7uF a 6,8uF pode ser a melhor escolha.

Para o indutor, mais de 560uH é recomendado com 1,5A da classificação atual. Portanto, C1 e C2 são selecionados para serem 10uF 400V e L1 como 680uH e uma ponte de diodo 1.5A DB107 para DB1.

O DC retificado é alimentado no driver IC LNK304. O pino de bypass precisa ser conectado à fonte por um capacitor 0,1uF 50V. Portanto, C3 é um capacitor de cerâmica de 0,1uF 50V. D1 é necessário para ser um diodo ultrarrápido com um tempo de recuperação reversa de 75 ns. Ele é selecionado como UF4007.

FB é o pino de feedback e o resistor R1 e R2 são usados ​​para determinar a tensão de saída. A tensão de referência no pino FB é 1,635 V, o IC muda a tensão de saída até obter esta tensão de referência em seu pino de feedback. Portanto, usando uma calculadora divisor de tensão simples, o valor dos resistores pode ser selecionado. Portanto, para obter 13,6 V como saída, o valor do resistor é selecionado com base na fórmula abaixo

Vout = (tensão da fonte x R2) / (R1 + R2)

Em nosso caso, Vout é 1.635V, a tensão da Fonte é 13.6V. Selecionamos o valor de R2 como 2,05k. Então, o R1 é 15k. Alternativamente, você pode usar esta fórmula para calcular também a tensão da fonte. O capacitor C4 é selecionado como 10uF 50V. D2 é um diodo retificador padrão 1N4007. O L2 é o mesmo que L1, mas a corrente pode ser menor. L2 também é 680uH com classificação de 1,5A.

O capacitor do filtro de saída C5 é selecionado como 100uF 25V. R3 é uma carga mínima usada para fins de regulação. Para regulação de carga zero, o valor é selecionado como 2,4k. O esquema atualizado junto com todos os valores é mostrado abaixo.

Funcionamento do circuito do driver de LED sem transformador

O circuito completo está trabalhando em topologia de comutação de indutor MDCM (Mostly Discontinuous Conduction). A conversão AC para DC é feita pela ponte de diodo e pelo filtro pi. Após obter a CC retificada, a etapa de processamento de energia é feita pelo LNK304 e D1, L2 e C5. A queda de tensão em D1 e D2 é quase a mesma, o capacitor C3 verifica a tensão de saída e, dependendo da tensão no capacitor C3, é detectada pelo LNK304 usando o divisor de tensão e regulando a saída de comutação entre os pinos da fonte.

Construindo o Circuito de Driver de LED

Todos os componentes necessários para a construção do circuito, exceto indutores. Portanto, temos que enrolar nosso próprio indutor usando fio de cobre esmaltado. Agora existe uma abordagem matemática para calcular o tipo de núcleo, espessura do fio, número de voltas, etc. Mas para fins de simplicidade, vamos apenas fazer algumas voltas com a bobina e fio de cobre disponíveis e usar um medidor LCR para verificar se atingimos o valor necessário. Como nosso projeto não é muito sensível ao valor do indutor e a classificação atual é baixa, esta forma rudimentar funcionará bem. Se você não tiver um medidor de LCR, também pode usar um osciloscópio para medir o valor do indutor usando o método de frequência ressonante.

A imagem acima mostra que os Indutores estão verificados e o valor é maior que 800uH. É usado para L1 e L2. Uma placa simples revestida de cobre também é feita para LEDs. O circuito é construído em uma placa de ensaio.

Testando o circuito do driver de LED

O circuito é testado primeiro usando um VARIAC (transformador variável) e depois verificado na tensão de entrada universal que é 110 V / 220 V CA. O multímetro à esquerda é conectado à entrada CA e outro multímetro à direita é conectado a um único LED para verificar a tensão CC de saída.

A leitura é feita em três tensões de entrada diferentes. O primeiro no lado esquerdo mostrando uma tensão de entrada de 85VAC e através de um único led está mostrando 3,51V, enquanto a tensão do led em diferentes tensões de entrada está ligeiramente mudando. O vídeo de trabalho detalhado pode ser encontrado abaixo.