Світлодіодний світильник своїми руками на електронному баласті

Саморобний світлодіодний світильник на старому баласті від КЛЛ

Поважаю таких захоплених професіоналів і бажаю успіхів у творчості, а також успішної участі в Конкурсі!

Ефективний синхронний випрямляч. Або друге життя електронного непотребу

Випрямлення струму за допомогою діода і транзистора: переваги і недоліки.

Йтиметься про схему випрямляча із застосуванням транзисторів з ізольованим затвором, англ. скорочено Mosfet.

У схемі застосований найпоширеніший Mosfet з індукованим каналом N-провідності. Головною перевагою через якого широко застосовуються такі ключі в сучасних електронних пристроях в схемах харчування - це малий опір і падіння напруги в відкритому стані (не більше 0.1 В).

Ось класична схема включення для перевірки і вивчення роботи транзистора з N-каналом:

Схема включення для перевірки транзистора Mosfet

Відкриття ключа з N-каналом відбувається коли прикласти (зарядити затвор) позитивне напруга до затвора (Gate) щодо витоку (Source), відповідно щоб закрити транзистор, потрібно розрядити затвор, тобто потенціал на ньому повинен бути нижче напруги відкривання переходу. У відкритому стані ключ проводить струм в обидва боки.

Нагадую, що схема такого транзистора і цоколевка висновків така:

Є особливості, які потрібно враховувати при випрямленні струму за допомогою такого транзистора:

1. наявність паразитного діода між стоком і витоком.
2. затвор має ємність, що впливає на швидкість спрацьовування при підвищенні частоти.

Виникає питання: в чому полягає ефективність випрямляча на цих транзисторах і навіщо всі ці складності? Давно придумані діоди Шотткі, пряме падіння на переході метал-напівпровідник яких в два рази менше ніж на P-N переході у звичайного кремнієвого діода, але коли необхідно харчування з низьким напругою і великим струмом споживання, втрати ККД навіть на діодах Шотткі вже значні!

Таблиця втрат потужності на діодах Шотткі в при роботі на різних напружених:

напруга блоку живлення

падіння на випрямному діоді Шотткі

потужність розсіюється на діоді

У сучасній комп'ютерній техніці, де напруги живлення процесорів можуть бути в межах 1 В, блок живлення всього комп'ютера робиться на більш високу напругу, при цьому не страждає ККД через втрат на випрямлячі, а вже в самій схемі напруга блоку живлення перетвориться імпульсними знижувальними перетворювачами з використанням схем синхронних випрямлячів на Mosfet.

Нижче приведена відома схема блоку живлення з низьким вихідним напругою і з використанням Mosfet як випрямляча.

Випрямляч з низьким вихідним напругою з використанням Mosfet транзистора

Верхня обмотка трансформатора - обмотка управління транзистора, нижня - силова, кількістю її витків визначається вихідна напруга такого випрямляча, а площеюперетину - струм. Подробиці розберемо нижче.

Друге життя електронних баластів КЛЛ

Радіоаматори давно широко використовують плати згорілих "економок" (КЛЛ) зі схемою електронного баласту, а також схожих за схемою електронних трансформаторів для харчування галогенних ламп в своїх проектах. Зараз це актуально з перехід на більш ефективне освітлення на світлодіодах, такі електронні трансформатори і баласти стають не потрібні, а їх можна застосувати як джерело живлення для інших цілей після нескладної переробки.

У схемі стандартного баласту від КЛЛ, переробка полягає в тому, щоб поставити перемичку як показано за схемою:

Переробка схеми енергозберігаючої лампи

Тепер замість лімінесцентной колби на вихід баласту підключаємо високочастотний випрямляч, схема якого була показана вище.

Блок живлення з електронного баласту люмінесцентної лампи

В результаті отримуємо блок живлення. Вторинну обмотку наметовому будь-яким обмотувальним проводом складеним в кілька разів, щоб сумарний перетин було достатнім для обраного струму, один провід відзначаємо (наприклад облужіваем), він буде обмоткою для управління. Мотаємо на котушку L 2 по верху існуючої обмотки, кількість витків підбирається досвідченим шляхом, зазвичай це 1 виток на 1 Вольт.

Обмотку для управління Mosfet потрібно правильно сфазіровать і напруга на ній не повинно бути більше ніж зазначено в специфікації на транзистор, це не менше 3-4 В і не більше 10 В. Напруга керуючої обмотки розраховується за кількістю витків.

Транзистор з материнської плати

Будь-який такий транзистор спокійно працює на токах 10 А і більш без істотного нагрівання. Для прикладу: падіння напруги на відкритому транзисторі PHB108N при струмі 10 А складе всього 0.06 В, виділення тепла 0.6 ват для постійного струму, врахувати що в нашому випадку це імпульси, то нагрів буде ще менше.

На жаль, синхронний випрямляч за такою схемою годиться тільки для схеми полумостового мультивибратора, де є трансформатор для позитивного зворотного зв'язку. Головна проблема - це вчасно відкрити ключ і вчасно закрити, напевно саме тому схема називається "синхронний випрямляч" 🙂

Так як у відкритому стані ключ проводить струм в обидва боки, настає момент, коли ключ ще не закрите, а струм (напруга) вже пішов на спад, відбувається розрядка фільтруючого конденсатора назад на обмотку трансформатора, в такому випадку ніякого виграшу в ККД не відбудеться, а навіть навпаки. Для інших блоків живлення схема синхронного випрямляча набагато складніше, в них зроблені тимчасові затримки і випередження для коректного управління. Існують мікросхеми "драйвери синхронного випрямляча", призначені для таких цілей, але поки рідко зустрічаються і мають багато деталей обв'язки. Маю велику надію на прогрес і поява спеціалізованих мікросхем, де все в одному, і їх просто буде використовувати там, де зараз використовуються випрямлячі на діодах 🙂

Схема полумостового мультивибратора, така як в електронному баласті, прекрасно працює з даною схемою синхронного випрямляча.

У теорії, в момент перемикання транзисторів VT1 і VT2 мультивибратора в струмового обмотці трансформатора TV1 відбувається перемагнічування і зміна полярності сигналу, ефект від перехідного процесу в момент закриття польового транзистора випрямляча зовсім не заважає роботі мультивібратора, а навіть навпаки, скорочує час перемикання транзисторів VT1, VT2 в протилежний стан, а також наводиться струм в обмотці управління, тим самим прискорюючи закриття польового транзистора випрямляча.

Спеціально для вимірювань була зроблена ще одна обмотка на трансформаторі TV1, яка складається з двох витків дроту.

Осцилограми роботи випрямляча на транзисторі

На початку виміряємо сигнал при підключеної пасивної навантаженні (резистори), щоб знати як працює мультивибратор електронного баласту.

Синій промінь осцилографа показує форму сигналу на цій додаткової обмотці струмового трансформатора TV1, а жовтий промінь показує сигнал на виході силового трансформатора, навантаження в цей момент дротяний резистор 1 Ом.

На зображенні нижче форма сигналу з виходу трансформатора вже з підключеним випрямлячем, навантаженням виходу випрямляча є той же резистор 1 Ом. На практиці виявилося, зворотний струм який виникає в момент, коли Mosfet повинен закриватися, дуже малий.

Вимірювання, схема подклченія і осцилограми

Падіння напруги (синій промінь) на транзисторі випрямляча в момент коли він відкритий близько 0.05 В. На початку періоду в момент відкриття транзистора і в момент закриття-видно перехідні процеси у вигляді гострого піку. На резисторі (жовтий промінь) 0.01 Ом датчику струму напруга 0.07 В, максимальний струм в ланцюзі можна рассчітать- отримаємо 7А.

Великого зворотного струму в момент закриття транзистора не спостерігається через високу індуктивності трансформатора і додаткового фільтра на котушці L, яка зроблена з феритового кільця взятого від трансформатора подібного електронного баласту. Протягуємо дріт який йде від транзистора на фільтруючий конденсатор через кільце, виходить 0.5 витка.

Переваги даного схематичного рішення випрямляча:

• простота
• доступність
• хороший ККД випрямляча
• малі розміри

• схема полумостового автогенератора з трансформатором струму в зворотного зв'язку розрахована тільки для роботи під навантаженням
• відсутність захисту від короткого замикання

Застосування блоку живлення на електронному баласті і випрямлячі

Одне із застосувань - харчування світлодіодів, де з'єднання паралельне.

Таке з'єднання світлодіодів спрощує їх монтаж і підвищує надійність всього світильника. Застосування світлодіодів в корпусі 5730 (можуть бути будь-які інші) дозволяє обійтися без окремого радіатора, завдяки безлічі джерел тепловиділення невеликої потужності по великій площі. Той же принцип охолодження у світлодіодних стрічок.

Світлодіоди в такому включенні харчуються не зовсім по феншую - правильне харчування для світлодіодів це стабілізований струм. З огляду на дешевизну таких світлодіодів, їх можна застосувати набагато більше ніж потрібно, таким чином середній струм через кожен світлодіод виходить менше номінального, що добре позначається на світловіддачі від кожного світлодіода, підвищенні загальної надійності і покращує тепловий режим і охолодження.

Саморобний світлодіодний світильник

З цією схемою для живлення світлодіодів було зроблено кілька світильників на сходову клітку з жерстяних коробок від печива.

Наведу кілька фото світлодіодного світильника, зробленого своїми руками.

Вирізаємо отвір в кришці банки

Готуємо прозорий пластик