P3Vu
commented
4 years ago Pierwsza podejście do projektu zasilacza rozpoczynam od przeanalizowania informacji ogólnych zaproponowanych poniżej :
https://ea.elportal.pl/zasilacze.html
Dowiadujemy się stąd podstawowych informacji za pomocą których możemy zrealizować podstawowy zasilacz oraz jakie elementy dobrać. W oparciu o to zrealizowałem schemat blokowy z wstępnie zdefiniowanymi elementami. Pod schematem blokowym zamieszczam dodatkowe obliczenia oraz informacje jakie mogą się przydać przy następnych rewizjach.
Power LED
Pierwszy błąd jaki popełniliśmy przy okazji samego projektu to zbyt wczesna decyzja o zakupie power LEDów. Nie sprawdziłem dokładnie informacji o sposobie ich zasilania i tu wyszedł pierwszy problem otóż wymagają one ograniczenia prądowego.
Diody które my wybraliśmy to 'High Power LED - 1W WLW28-140' są białymi power LED-ami a ich najważniejsze parametry to:
- moc możliwa do rozproszenia: 1,2 W
- maksymalny szczytowy prąd w impulsie: 0,5 A
- prąd ciągły: 0,35 A
- napięcie wsteczne: 5 V
- napięcie progowe: 3 ~ 3,6 V przy 350 mA
Do ledów mamy dołączone radiatory 1Watowe, który umożliwią rozproszenie części i całe szczęście bo bez nich same diody nie poradziłyby sobie 3,6*0,35 = 1,25 W. Prawidłowo takie ledy montuje się na 'belkach' w postaci blachy miedzianej i łączy się szeregowo/równolegle w zależności od możliwości zasilania. Do belki 'przyklejamy nasze ledy przy pomocy pasty termo-przewodzącej (nie wiem czy sama pasta zapewnia przyklejenie ale zapewnia termo-połączenie).
Driver
Skoro mamy już diody te jakie mamy, starałem się dopasować to sytuacji i wyselekcjonować odpowiednie zasilanie. Generalnie uważam że diody są nawet ok jak na start więc nie był to zły wybór ale błędne było samo podejście.
Skoro diody wymagają od nas źródła prądowego 350 mA, dodatkowo chcielibyśmy nimi jakoś sterować to potrzebny jest nam sterownik, który nam to zapewni. I tutaj mamy różne możliwości ale jeżeli trafił się już jakiś godny uwagi to trudno dostępny na naszym rynku, stąd zrobił podejście w drugą stronę - patrzałem co mamy na rynku a z tego co jest wybrałem sterownik.
Zatrzymałem się na STCS1 czyli stałoprądowym sterowniku od firmy ST (tak ci od mikroklocków), o parametrach:
- do 40 V na wejście
- do 1,5 A na wyjściu - zewnętrzny rezystor umożliwia ustalenie do max. 1,5 A na wyjściu z precyzją do ±10%
- ściemnianie przez PWM poprzez osobny pin
- pin wyłączenia
- pin diagnostyczny odłączenia LED, pin typu otwarty-dren dostarcza informacji o odłączonym obciążeniu
Zastosowanie takiego sterownika to m.in. zasilanie LEDów o stałym prądzie z różnymi napięciami wejściowymi, oświetlenie niskonapięciowe, małe aplikacje ledowe, oświetlenie samochodowe LED.
Sterownik wygląda ok, należy w takim razie dobrać wartość napięcia na jaką się nastawiamy oczywiście w połączeniu z powerLED-ami. Ja przyjąłem że pojedyncza gałąź będzie składać się z 3 powerLED co da spadek w przedziale 9-10,8 V i obciążeniu 350mA. Maksymalny spadek napięcia na drive-rze wynosi 0,9 V a typowo 0,6 V. co oznacza że powinniśmy podać na sterownik co najmniej 11,8 V stąd przyjmuje zasilanie tej części 12V.
Na tym etapie poprawnie również byłoby wyznaczyć przybliżoną temperaturę jaką osiągnie nasz scalak, co prawda 0,35 A to nie dużo bo możliwość jest do 1,5 A ale dobrze byłoby znać takie informacje i mieć gotowe przeliczenia jeżeli byśmy chcieli przenieść się na większe obciążenie. Na początek jednak ustawianie prądu :
1. Ustawianie prądu ( Crurrent setting )
Realizujemy to przez zewnętrzny rezystor podłączony do pinu Feedback. Napięcie na tym pinie wynosi 100mV. Mamy możliwość ustawienia prądu z przedział 1mA - 1,5 z dokładnością ±10%. Dla naszego przykładu ustawienie 350mA oznacza :
Rf = Vfb / Iled = 100mV / 350 mA = 285,7 mOhm
Najbliższa wartość to 270 mOhm co odpowiada prądowi : Iled = Vfb / Rf2 = 370 mA
Na przyszłość warto policzyć dodatkowe wartości jeżeli byśmy chcieli zwiększyć obciążenie:
Iled = 500 mA : Rf3 = 200mOhm Iled = 750 mA : Rf4 = 133 mOhm Iled = 1 A : Rf5 = 100mOhm Iled = 1,25 A : Rf6 = 80 mOhm Iled = 1,5 A: Rf7 = 66,7 mOhm
2. Parametry termiczne
Dla danego typu obudowy mamy dostarczone parametry przy pomocy których obliczamy temperaturę złącza. Zależą one także od obszaru miedzi pod padem i ilości warstw PCB ale przyjmiemy podane parametry z wiarą że w przybliżeniu określimy co trzeba.
Dostępna obudowa to PowerSO-8 (wersja z QFN8 na lepsze parametry termiczne ale nie ma jej na TME). Moc rozproszoną liczymy poprzez :
Pd = (Vdrain - Vfb) Iled + (Vcc Icc ), gdzie Vcc i Icc to napięcie i prąd zasilania samego scalaka odpowiednio 12V i 0,5mA
Temperatura złącza:
Tj = RthJA * Pd + Ta
RthJA - Thermal resistance junction-ambient: Rezystancja termiczna złącze-otoczenie 45 °C/W
Zakładając:
- Vwe = 12 V
- 3 Diody LED z napięciem progowym 3~3,6V
- Iled = 0,35 A
- Ta = 40°C ( upalne lato :) )
Uzyskujemy:
Vd1 = 12 - 3 3 = 3 V Vd2 = 12 - 3 3,6 = 1,2 V Pd1 = (3-0,1) 0,35 + 12 0,5 10^(-3) = 1,021 W Pd2 = (1,2-0,1) 0,35 + 12 0,510^(-3) = 0,391 W T1 = 45 1,021 + 40 = 85,9 °C T2 = 45 0,391 + 40 = 57,6 °C
Stabilizator
Wiemy że posiadamy stabilizowane napięcie na poziomie 12V a zatem wybieramy odpowiedni stabilizator. W pierwszej wersji chciałem zastosować osobny stabilizator do każdej gałęzi drivera. Tutaj znalazłem stabilizator MIC29300-12WU . Generalnie jest co cała rodzina pod 1.5, 3, 5 i 7.5 A a ten konkretnie nie posiada możliwości regulacji.
Aby zapewnić stabilną pracę, do wejścia stabilizatora powinniśmy podpiąć Vin = Vout + 1 czyli w naszym przypadku 13 V. Jest to stabilizator LDO co oznacza że występuje na nim mały spadek napięcia (typowo 0,37 max 0,6). To z kolei oznacza że w teorii powinno wystarczyć podpięcie Vin + Vdrop, a kiedy zejdziemy poniżej stabilizator będzie działał poprawnie ale dodatkowo zachowa się jak liniowy rezystor tzn. napięcie na wyjściu będzie malało.
LDO zapewnia zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe (current limiting), zabezpieczenie termiczne (max 125 °C maksymalna temperatura pracy), zabezpieczenie przed zbyt dużym napięciem (>32V), przed szpiklami -20/+60 V
Parametry termiczne :
Założenia:
- Maksymalna temperatura otoczenia Ta = 40°C
- Prąd wyjściowy Iout = 400 mA - dla wersji z 1 gałęzią, dla wersji dla całego urządzenia to co najmniej 2A więc wymagany byłby radiator
- Napięcie wyjściowe Vout = 12V
- Napięcie wejściowe Vin = 17~13 (dlaczego tyle to wyjaśni się później, trzeba uwzględnić transformator, spadki na prostowniku i tętnienia na filtrze)
Po pierwsze liczymy moc rozproszoną:
Pd = Iout (1,01(Vin - Vout)) Pd1 = 0,4 (1,01 (17-12)) = 2,02 W
Pomijając radiator liczymy temperaturę złącza: Tj = ( TetaJa * Pd ) + Ta
Parametr TetaJa oznaczający podobnie jak wcześniej °C/W jest nieznany jest podana tylko wartość TetaJc. Generalnie chyba dla tego rodzaju obudowy trzeba zrealizować radiator montowany bezpośrednio na PCB. Tu jest do doczytania, ewentualny wybrać inny stabilizator.
Prostownik
Jeśli chodzi o prostowanie możemy wyróżnić 2 podejścia. Zastosować mostek prostowniczy albo na diodach zrobić mostek graetza. Zaletą tego 1wszego jest niższy spadek napięcia (do 1 V), wygoda i mniej miejsca na PCB. Minus tyle że parę zł więcej.
Dobieramy mostek do napięcia wejściowego (Vrms = 230 V AC) czyli mostek B250C5000 lub B380, liczba określa max. napięcie zmienne jakie możemy podać. Maksymalny prąd do około 4A bez radiatora, do 5 A z radiatorem. Dodatkowe elementy wskazane przez producenta to rezystancja zabezpieczająca 4 lub 5Ohm a także kondensator na wyjściu 1500 lub 1000 uF.
Na wyjściu prostownika powinnyśmy także umieścić filtr, który zgodnie z artykułem przytoczonym na początku, zapewni odpowiedni poziom tętnień. To na jakie tętnienia możemy sobie pozwolić zależy głównie od napięcia na wyjściu transformatora oraz spadków napięć po drodze. Licząc najgorszy przypadek musimy obliczyć pojemność filtrującą ale to już w sekcji z transformatorem.
Transformator i filtr
Mając już przytoczone wcześniej informacje możemy dobrać transformator. Wiemy, że po drodze do stabilizatora tracimy łącznie 2V, co daje minimalne napięcie przed prostownikiem rzędu 14V. Zakładając zerowe tętnienia co idąc tym tropem jest niemożliwe (pojemność filtrująca ogromna). Należy zatem wybrać większe napięcie na wyjściu transformatora np. 15 lub 18V i umożliwić większe napięcie tętnień przez co możliwe będzie zastosowanie mniejszych kondensatorów filtrujących kosztem większego nagrzewania się stabilizatora (bo to on będzie musiał to wytracić).
Dobierając transformator poza napięciem musimy przewidzieć pod jakim maksymalnym obciążeniem będzie pracował. Wstępnie zakładałem że będzie to max. 2,5 A czyli do 2A na lampę i 0,5A na układ sterowania. Dzięki temu mogłem przeanalizować 2 transformatory albo inaczej, 2 przypadki. Transformator na 15 i 18V.
Wzór na pojemność filtrującą wygląda następująco :
C = Iwy / (2 f Uttp ), gdzie f to napięcie sieciowe 50Hz, a Uttp zakładane napięcie tętnień
Skoro minimalne napięcie to 14V szacuje że Uttp = 1V dla trafo pod 15V i około 3-4V dla trafo pod 18V (przyjmę 3V). A to oznacza:
C1 = 2,5A / ( 2 50 1 ) = 25 000 uF C2 = 2,5A / 2 50 3 ) = ~8400 uF
Ta druga wartość jest już całkiem spoko, dać 2 kondensatory po 4700 nie ma problemu ale ten 25mF to już całkiem sporo. Drugie rozwiązanie niestety generuje problem z rozpraszaniem większej energii na stabilizatorze.
Wnioski
Podsumowując ten wstępny etap udało się wyselekcjonować pierwszą koncepcję takiego zasilacza, zmierzyć się z problemami jakie on niesie i tym co należy wziąć pod uwagę. Jeśli przyszła by potrzeba wdrożenia takiego rozwiązania, to pozostaje problem zmiany stabilizatora na taki co rozproszy tą energię lub założenie trafo 15V, mniejszego kondensatora i liczenie że to styknie. Koszty samej elektroniki są rzędu 100-120 zł.
Rozwiązaniem tej sytuacji jest zastosowanie zwykłego zasilacza 'desktopowego' 12 V 5A co rozwiązuje zdecydowaną większość problemów jak na tę chwilę. Takie coś też widziałem w filmie na yt więc do testów jak najbardziej spoko. Celem poprawienia sytuacji z własnym dedykowanym zasilaczem należy uderzyć w zasilacz impulsowy czyli to co się działo na przedmiocie 'konwertery mocy'. Postaram się wczytać w temat i ocenić sytuację.
A zatem jak na tę chwilę wykorzystamy wspomniany zasilacz przez co przeskoczymy od razu na schemacie do drivera i ledów. Przetestujemy czy to działa, kupimy elementy do wysterowania drivera i podłączymy STM-a lub Arduino aby zapewnić PWM-a.
Dalsze kroki podejmiemy w zależności od efektów a przy okazji otwartą pozostawiamy sprawę naszego dedykowanego zasilacza.
Wątek dotyczy problemu zaprojektowania podstawowego zasilacza do LEDów, który umożliwiłby ich sprawne działanie w konfiguracji 1 lub wielu gałęzi a dodatkowo :
Dodatkowe rzeczy na które warto zwrócić uwagę lub które mogą się pojawić przy okazji tego zagadnienia to wykorzystanie tranzystora mocy MOS, układy pętli sprzężenia zwrotnego, zabezpieczenia termiczne, prądowe, przepięciowe.
Firma która zajmuje się projektowaniem scalaków do takich rzeczy to np. Power Integrations. Dodatkowe informacje w literaturze [31].
Pierwszy schemat :