Останнім часом лампи розжарювання, що мають досить обмежений ресурс близько 1000 годин, і газорозрядні освітлювальні лампи з ресурсом приблизно 20 000 годин енергійно витісняються світлодіодними аналогами, здатними функціонувати без заміни набагато довше – 100 000 годин. Вони мають найвищий серед штучних джерел світла ККД перетворення електричної енергії в світлову, що змушує уряди багатьох країн, в тому числі і Росії, енергійніше впроваджувати енергозберігаючі технології в світлотехніці. Цьому також сприяє неухильне зниження вартості надяскравих світлодіодів через конкуренцію їх світових виробників.

На жаль, у більшості побутових світлодіодних ламп використані найпростіші мережеві блоки живлення з баластними конденсатором. І це незважаючи на те, що загальновідомі недоліки останніх (кидок струму при включенні, вузький інтервал мережевої напруги, відповідний допустимим межам струму через світлодіоди, а також можливість ушкодження при обривах у навантаженні) приводять до передчасного виходу світильників з ладу. Це означає, що подібне схемотехнічне рішення в принципі не може забезпечити ефективну довгострокову роботу світлодіодних джерел світла з передбачуваним ресурсом в 100 000 годин.

Пропонована конструкція простого малогабаритного мережного ПІП для світлодіодної лампи (рис. 1) вільна від таких недоліків і, незважаючи на високу надійність експлуатації, дуже дешева (приблизно 50 руб без світлодіодів). Використання засобів автоматизованого проектування даного пристрою надає можливість радіоаматорові самостійно гнучко варіювати номенклатуру і кількість підключаються світлодіодів.
Робота подібного імпульсного понижувального стабілізатора напруги й фізичні принципи його функціонування описані в [1] (рис.1, в і рис. 2,6).
Тому більш детально розглянемо послідовність проектування мережного перетворювача для харчування 17 ультраяскравих світлодіодів, використовуваних в описуваному пристрої (рис. 1). Серед них EL1-EL8 – стандартні 5-міліметрові світлодіоди LC503TWN1-15G і EL9-EL11 – чіп-све-тодіоди ARL-5060WYC по 3 шт. в прямокутному корпусі PLCC6 розмірами 5×5 мм з допустимим прямим струмом до 40 мА і прямим падінням напруги приблизно 3,2 В на кожному діоді. Такий вибір світлодіодів в екземплярі автора обумовлений необхідністю висвітлення комп’ютерної клавіатури. Перші світлодіоди володіють малим кутом випромінювання – 15 ° за рівнем половинної потужності, другі – великим – 120 °. У результаті в сумарному світловому плямі будуть відсутні різкі границі, причому освітленість в центрі більше, ніж на периферії. Колірний відтінок такого джерела світла – середній між холодним і теплим білим, що обумовлено параметрами використаних светодиодов.
З конструктивних міркувань однотипні світлодіоди з’єднані послідовно, при цьому отримані показані на мал. 1 два ланцюги (з 8 і 9 світлодіодів відповідно), які з’єднані паралельно через токо-обмежуючі резистори R2 і R3 Вихідна напруга перетворювача для обох ланцюгів обрано 32 В при струмі навантаження 40 мА.
Для проектування перетворювача використана програма Non-Isolated VIPer Design Software v.2.3 (NIVDS), про яку розказано в статті [2]. Інтервал напруги мережі залишений обраний програмою за замовчуванням 88 … 264 В. Використаний ШИ контролер – мікросхема VIPer22A з частотою перетворення 60 кГц, режим перетворення переривчастий (DCM – Discontinuous Current Mode), вихідна напруга – 32 В при струмі 40 мА. Індуктивність накопичувального дроселя L1, розрахована програмою, склала 2,2 мГн. Інші параметри перетворювача: ККД – 74%, максимальна амплітуда струму комутуючого транзистора мікросхеми DA1 – 169 мА, її максимальна температура – 47 ° С, ефективне значення споживаного струму – 17 мА при максимальній мережевому напрузі 264 В.
Дросель L1 – доопрацьований високочастотний ДМ-0, 1 500 мкГн. Для збільшення його індуктивності до 2,2 мГн до наявної обмотці додають, не змінюючи напрямок намотування, 2 шари по 100 витків дроту ПЕВ-2 діаметром 0,12 мм. Ізоляцію між додаються шарами, а також загальне покриття дроселя виконують клейкою стрічкою (скотчем). Відгинання висновків дроселя для монтажу на друкованій платі виробляють не ближче 5 мм від феритового корпусу, інакше заводські висновки обмотки будуть пошкоджені. Замість доопрацьованого дроселя ДМ-0, 1 можна застосувати котушки індуктивності КІГ-0 ,2-2200 або SDR1006-2200.

Креслення друкованої плати перетворювача, виконаної з односторонньо фольгованого склотекстоліти товщиною 1 … 1,2 мм, показаний на рис. 2, а її зовнішній вигляд – на рис. 3. Конденсатор С1 впаивают з зазором 7 … 8 мм до плати, так як його треба нахилити до центру плати, щоб він розмістився в застосованому цоколі від згорілої енергозберігаючої лампи.

У перетворювачі можуть бути використані імпортні оксидні конденсатори з граничною робочою температурою 105 ° С. Конденсатори С2 і С5 – плівкові або керамічні з номінальною напругою не менше 50 В. Плавка перемичка FU1 – дріт від запобіжника з номінальним струмом 1 А. Проріз захищає плату при перегорання FU1. Але проріз не потрібна, якщо перемичку замінити плавкою вставкою в керамічному корпусі (із серій ВП1-1, ВП1-2) або запобіжним резистором Р1-25 (або аналогічним імпортним опором 8 … 10 Ом). У разі використання запобіжного резистора опір резистора R1 зменшують до 10 … 12 Ом.

Світлодіодна навантаження R2R3EL1 – EL11 змонтована на іншій друкованій платі з двосторонньо фольгованого склотекстоліти товщиною 0,5 … 1 мм (рис. 4). Ділянка фольги багатокутної форми в центрі плати призначений для відведення тепла від светодиодов поверхневого монтажу EL9-EL11. Струмообмежуючі резистори R2 і R3 – РН1-12 типорозміру 1206. Дві плати з’єднують між собою пайкою у відповідних контактних майданчиках трьох відрізків мідного дроту діаметром 0,7 мм і довжиною приблизно 7 мм, на які в якості обмежувальних букс надіті відрізки пустотілих пластикових стрижнів від кулькових ручок. Два дроти подають харчування на плату зі світло-діодами, а третій забезпечує необхідну жорсткість конструкції. При з’єднанні суміжними є сторони, вільні від елементів на обох платах. В отвори контактних майданчиків, зазначених зірочками, вставляють і з двох сторін пропаівают короткі відрізки дроту. Спочатку за допомогою ЛАТР бажано переконатися в стабільності вихідної напруги 32 В в усьому інтервалі зміни мережевої напруги (88 … 264 В), при цьому замість світлодіодів підключають резистори загальним опором 800 Ом Потім світло-діоди встановлюють на місце, а замість постійних струмообмежувальних резисторів R2 і R3 тимчасово споюють підстроювальні опором 150 Ом При вимірах слід остерігатися електричного удару струмом, оскільки всі елементи пристрою гальванічно зв’язані з живильної електромережею. Всі зміни виконують тільки у відключеному стані. Підлаштування резистори регулюють діелектричною викруткою. Струм через кожну ланцюг світлодіодів контролюють миллиамперметром Хоча використані світлодіоди допускають прямий струм до 40 мА з відповідним збільшенням яскравості світіння, з метою досягнення заявленої довговічності светодиодов підстроюванням резисторів струм установлюють рівним 20 мА. Приблизно через 5 хв після включення стабілізується тепловий режим світлодіодів, тому необхідна додаткова підстроювання струму. При наявності одного міліамперметра струм в кожній світлодіодним ланцюга регулюють по черзі. На завершення підлаштування резистори замінюють постійними знайденого опору.

За допомогою інструменту Waveforms програма NIVDS дозволяє змоделювати режими ШИ контролера. На рис. 5 показана діаграма імпульсного струму в контролері при мережевому напрузі 220 В, практично збіглася з результатами контрольних вимірів. Інтервал О. .. 1,5 мкс відповідає відкритому станом комутуючого транзистора мікросхеми DA1 (прямий хід перетворювача). Синім кольором показаний графік струму в накопичувальному дроселі під час зворотного ходу перетворювача. Інтервал 1,5 … 13 мкс відповідає етапу передачі в навантаження енергії, накопиченої дроселем під час прямого ходу. Інтервал 13 … 16,6 мкс – так звана бестоковой паузи б роботі перетворювача, коли виникають вільні затухаючі коливання напруги і струму в вихідний ланцюга. Більш наочно ці коливання ілюструє знята діаграма напруги на джерелі транзистора відносно загального проводу живлення (рис. 6), де добре помітно, що затухаючі коливання напруги відбуваються відносно рівня 32 В, відповідного вихідній напрузі перетворювача. Вихідний фільтр С4С5 знижує пульсації вихідної напруги до 300 мВ.

Як видно з рис. 5 і 6, піковий струм комутуючого транзистора мікросхеми (169 мА) у декілька разів менше максимально допустимого значення 700 мА, напруга на стоці цього транзистора (300 В) також менше максимально допустимого 730 В Це забезпечує роботу перетворювача з великим запасом електричної міцності, що поряд з вбудованою в мікросхему теплової захистом, а також захистом від замикань і обривів в навантаженні гарантує багаторічну надійну роботу описаного пристрою.

Зовнішній вигляд світлодіодної лампи показаний на рис. 7. У ній використаний відбивач від несправного кишенькового ліхтаря.


Література
1. Косенко С. Особливості роботи індуктивних елементів в однотактний перетворювачах. – Радіо. 2005. № 7. с. 30-32.
2. Косенко С. Автоматизоване проектування малогабаритних ПІП на мікросхемах VIPer – Радіо, 2008, № 5, с. 32. 33.