🐡 ✋🏾 👎🏾 Controlador LED con un costo de lista de materiales de menos de $ 1. ¿Es posible? 👩🏼‍⚕️ 📕 👼🏽

El desarrollo del controlador LED es una tarea interesante y compleja. El mercado en esta dirección está muy saturado, a veces parece que la producción de lámparas LED está en todas partes. Comenzando desde el garaje y terminando con grandes fábricas. En cuanto a los conductores, gigantes como Philips o Meanwell, por un lado, chinos guapos como Moso y Billion por el otro, no chinos en el tercero ... En estas condiciones, la tarea de optimizar el producto por el precio se agrega a los componentes de ingeniería (circuitos y diseño).

Entonces, estoy hablando del desarrollo de controladores LED con una limitación significativa en el precio de los componentes.

En mi artículo anterior, realicé un pequeño análisis de los requisitos para los equipos LED, así como la documentación reglamentaria que describe estos requisitos. Es hora de hablar sobre el desarrollo. Como saben, "sin conocimientos tradicionales: el resultado es impredecible", comenzaremos con esto.

Requisitos de conocimientos tradicionales

Tensión de alimentación 230 ± 10%
Consumo de energía 15 W
Voltaje de salida: 110-120 V
Aislamiento galvánico: no requerido
Ondas de una corriente de luz: no más del 5%
Eficiencia luminosa: no menos de 100lm / W
Factor de potencia: al menos 0.9 (también funciona la opción 0.5)
Restricciones de diseño: Altura del elemento 14 mm, SMD máximo (si es posible).
El costo de los componentes del controlador LED: no más de $ 1

Análisis de opciones de circuitos de controladores LED

Considere las opciones de implementación.

Opción sin KKM. En este caso, dado que el voltaje de salida es de 110-120 V, debe hacer un convertidor reductor. En la entrada del convertidor reductor, un rectificador y un condensador de almacenamiento, esto dará un voltaje constante (ondulación) de aproximadamente 310V. Para que quede más claro lo que se está discutiendo, a continuación, para cada opción, daré ejemplos de microcircuitos en los que es posible implementar la estructura considerada. Ejemplos de microcircuitos para un convertidor reductor sin KKM: LM3444, HV9910B, HV9961, BP2831.

Estabilizador combinado KKM / corriente de una etapa.Una opción cuando una etapa de la conversión proporciona consumo de corriente sinusoidal de entrada y estabilización de corriente de la línea de LED. Ejemplos de chips: TPS92074, BP2366, PT6917. Hay opciones exóticas como HV9931.

Conductor de línea. Una opción cuando se proporciona la estabilización de corriente al disipar parte de la potencia en el regulador (por analogía con un estabilizador lineal). Ejemplos de chips NSI45090, FAN5640, PT6913, BCR402, BP5131.

Dos etapas: PFC + estabilizador de corriente.La primera etapa es un KKM de refuerzo, después de lo cual se obtiene un voltaje constante de 380-400V en el condensador de almacenamiento. El convertidor buck de segunda etapa con estabilización de corriente. Dado que esta solución se usa generalmente para controladores LED más potentes, generalmente se usa un chip con una clave externa para la primera etapa (KKM), por ejemplo, NCP1650, UCC38051, LT1249.

Una etapa con KKM pasivo como "Relleno de valle". KKM de este tipo es un esquema bastante conocido ~~en círculos estrechos~~ , escribiré sobre ello con más detalle a continuación.

Utiliza un filtro activo.Esta no es una opción independiente, sino una adición a una de las opciones, que permite reducir la corriente de ondulación y, en consecuencia, la ondulación del flujo de luz. Se puede implementar un filtro activo tanto en un efecto de campo como en un transistor bipolar. Circuito de ejemplo:

También hay microcircuitos especiales para este propósito, por ejemplo, BP5609, JW1210.

Existen otras opciones para construir controladores LED, por ejemplo, convertidor de retorno o controlador lineal segmentado, no se consideran, ya que obviamente no se ajustan a los requisitos de TK.

Para facilitar el análisis, los pros y los contras de las opciones consideradas se resumen en la tabla:

Tipo de conductor	pros	Menos
Opción sin KKM (dólar)	No hay muchos elementos más baratos, más compactos. En presencia de un electrolito en la entrada, se puede proporcionar una baja onda de luz.	Bajo PF.
(APFC-buck)	➔ , . PF.	20-30%.
	➔ . . .	➔ , . PF.
	➔ . PF. . TRIAC-.	➔ , . 100%.
(boost PFC+buck)	PF. .	Dos convertidores ➔ más elementos ➔ más caros, más dimensiones.
Etapa única + relleno de valle	El corrector de FV es más simple que el APFC completo ➔ más barato, más compacto que el de dos etapas.	El voltaje de salida VF es pulsante, con un valor mínimo de Uin / 2. Es difícil obtener un FP mejor que 0.9. No apto para soluciones potentes.
Aplicación de filtro activo	Permite reducir la ondulación de la luz.	Disipa el poder ➔ empeoramiento de la eficiencia.

Un poco sobre el corrector de relleno Valley

Antes de analizar y elegir opciones, debe explicar brevemente qué es un corrector pasivo de relleno Valley. El esquema se ve así:

Los condensadores C1, C2 se cargan cada uno a la mitad de la amplitud de voltaje de la red. La esencia del circuito es que los condensadores C1, C2, que utilizan los diodos D1, D2, D3, se conmutan de una conexión serie (cuando se carga) a una conexión paralela (cuando se descarga para cargar). Como resultado, la energía de los condensadores alimenta la carga solo durante los períodos en que el valor de la tensión de red rectificada es inferior a la mitad del valor de amplitud. Por lo tanto, la duración del consumo de corriente de la red se expande y el factor de potencia aumenta. Sin embargo, el circuito tiene un inconveniente significativo: el voltaje de salida tiene una ondulación significativa, hasta la mitad del voltaje. Esto afecta la elección del voltaje de la línea de LED, debe ser inferior a la mitad del valor de amplitud del voltaje de entrada más un cierto margen.

Para aclarar cómo funciona PFC, Valley-Fill hizo un modelo de especias en LTspice:

El modelo está disponible aquí . Puede descargar y experimentar, ver cómo funciona.

Elección de la estructura del controlador LED

Primero debe resaltar el tema del aislamiento galvánico. El dispositivo (lámpara) en su conjunto es un producto de clase II para seguridad eléctrica. ¿Por qué no se requiere aislamiento galvánico? Si el dispositivo se encuentra en una caja de plástico sin elementos metálicos que puedan ser tocados por una persona, entonces el aislamiento no es necesario, ya que la funda proporciona la protección. Esto se puede ver en el ejemplo de las lámparas LED: los controladores de las lámparas LED nunca están aislados galvánicamente.

Es obvio que tuve que abandonar la opción de dos etapas. Incluso si logro encontrar microcircuitos con teclas de alimentación integradas para ambas etapas (y para impulsar el PFC en la primera etapa de revisión (rápidamente) no podría encontrar tales microcircuitos, a excepción de algún monstruo en el caso gigante de Power Integrations), entonces esto sigue siendo Habrá dos microcircuitos de potencia y dos estranguladores. Mirando hacia el futuro, diré que es el acelerador el que agrega una parte significativa al costo de la lista de materiales. La opción resulta ser costosa, además, descubrí el diseño y me di cuenta de que no cabría en una tabla de un tamaño determinado.

Luego, eché hacia atrás los controladores lineales. La razón número uno es el voltaje de salida de 120V, lo que significa que más de la mitad de la potencia tendrá que ser disipada en el medidor lineal, esto ciertamente no es permisible. Incluso si estuviéramos de acuerdo en el aumento del voltaje de la línea de LED (y tuve esa oportunidad), entonces, para tales capacidades, el controlador lineal no es muy aplicable. La gran disipación de energía en una caja de plástico compacta la convertirá en un dispositivo de calentamiento.

Más precisamente, es posible usar un controlador LED lineal para tal potencia, pero solo sacrificando un factor de potencia o un coeficiente de ondulación de la luz, lo que no iba a hacer. Esta es la segunda razón: es imposible lograr las características especificadas, ya sea por PF o por KP de luz.

Como recordará de los requisitos de TK, necesito ofrecer dos opciones: una sin PFC y la segunda con Pf al menos 0.9. Como resultado del análisis, la elección de la primera opción es obvia: se trata de un convertidor reductor con estabilización de corriente de salida. Es decir, el filtro de entrada ➔ rectificador ➔ condensador electrolítico de gran capacidad ➔ convertidor reductor. Esta opción es bastante simple y, en general, no es tan interesante de considerar. Además, consideraré solo la opción con KKM.

Pero para la segunda opción, me encontré con una elección difícil: {Corrector de relleno de valle + convertidor reductor} o {APFC-buck + filtro de salida activo}. Sin el filtro activo, no sería posible obtener las pulsaciones de luz dadas, para mí era obvio.

Había tales dudas. Un circuito de filtro activo es un transistor de potencia adicional y, en consecuencia, un aumento en el precio, así como pérdidas adicionales, significa una disminución en la eficiencia. En otra opción, estaba confundido si podía obtener el Pf requerido usando el esquema "Relleno de valle". Por un lado, en una nota de IR recibimos un factor de potencia de hasta 0,96, pero también hay matices. Por ejemplo, no quería aumentar excesivamente la resistencia de la resistencia Rvf. Además, existía el riesgo de que no hubiera suficiente margen de voltaje para la regulación normal de la inversión. El modelado demostró que hay suficiente stock, pero no el hecho de que también será en realidad.

Entonces, la opción con el corrector “Relleno de valle” en mi estimación hizo posible obtener un precio más bajo o el mismo, con un aumento en la eficiencia, esto fue decisivo en mi elección.

Diseño de circuito

El diagrama se muestra en la figura:

Descripción de los elementos del circuito:

FU1 - fusible, requerido por los requisitos de seguridad;

RV1: varistor para suprimir el ruido pulsado de microsegundos de alta energía, así como la interferencia pulsada de nanosegundos;

R1, R2: resistencias para la descarga del condensador de entrada cuando el dispositivo está desconectado de la red;

C1: el condensador del filtro de interferencia de entrada (condensador de clase X2) suprime el ruido conducido en la red y, junto con RV1, ayuda en la lucha contra el ruido impulsivo;

L1, L3, R3, R4: elementos del filtro de interferencia de entrada (conductivo, pulsado);

VD1 - puente rectificador;

C2, C3, VD2 ... VD4, R5 - elementos del corrector "Relleno de valle";

C4 - convertidor reductor de condensador de entrada;

R6, R8: resistencias que proporcionan energía al chip;

R7: una resistencia que establece el umbral de protección para exceder el voltaje de salida (cuando se rompe la línea del LED);

C5 - condensador para potencia de microcircuito;

DA1: un microcircuito convertidor reductor con un MOSFET de potencia incorporado;

R9, R10 - resistencias de derivación de corriente;

VD5 - convertidor reductor de diodos de potencia;

L3 - convertidor reductor de potencia;

C6 - capacidad de salida.

Selección de articulo

Fusible. No tuve que mirar mucho, el fusible compacto SMD 25F-010H de Hollyland por solo $ 0.048.

Varistor Entonces tuve que sudar. Parece que ahora conozco a todos los fabricantes de varistores SMD en China y Taiwán. De lo que cabe y entregado, hice una lista y cité tales elementos:

Como resultado, incluso los precios chinos se horrorizaron, tuve que abandonar SMD en este caso, y la elección recayó en el varistor TVR05391KSY por $ 0.027.

También consideré fabricantes europeos, por ejemplo, Epcos tiene varistores SMD, pero desafortunadamente aún más caros.

X condensador. Las opciones SMD para tales condensadores son muy caras, por lo que 0.1 μF 10% 300V X2 J104K300A100 del fabricante ~~líder~~ mundial Chiefcon es la mejor opción por $ 0.036.

Condensadores electrolíticos.La elección de los electrolitos SMD a 200V no es tan buena, y los que resultan ser de tamaño gigantesco. Considerada la serie "VE", "VEJ" de Lelon, "ULR", "UUG", "UUJ" de Nichicon, etc. 10 microfaradios del tamaño de 12.5x13.5 no me convenían. Como resultado, me encontré con un interesante fabricante chino, Ymin, cuyo sitio web dice "Pequeño experto". De hecho, la serie VKM, 12 microfaradios en el tamaño de 8x12.5, es una excelente opción y por solo $ 0.046 por pieza. Da dos.

Diodos.El puente de diodos MB6S (0.028), el diodo de alimentación eligió el tipo ES1J; aquí todo es estándar, pero quería elegir los diodos más pequeños para el relleno del valle y encontré una versión muy interesante del GS10xxFL de PANJIT. Diodos para voltajes de hasta 1000V en el paquete SOD-123, ¿estás bromeando? No, ellos existen. Como resultado, el GS1006FL cuesta solo $ 0.019. Encuentra el mismo ultrarrápido y puede usarse como diodo de potencia para bajar. Dejé esta idea antes de realizar pruebas térmicas. Si ES1J no se calienta, puede pensarlo.

ChokesInicialmente, recurrí a Eurobrands, pero la cita mostró que lo más barato de lo que me conviene es SRR1208 por $ 0.28 de Bourns. Incluso a Wurth no se le ha ofrecido más barato que alrededor de $ 0.3. Este es un estrangulador de poder. Como resultado, cambié el vector de búsqueda hacia marcas asiáticas. Después de revisar y citar los productos de oficinas como Ferriwo, ABC Taiwan, Fuantronics, Coilmaster, me decidí por la variante SRI1207 de la compañía taiwanesa Coremaster. Por solo $ 0.142.

Chip.Decidí optar por BPS, porque tienen una gran cartera en el campo de los microcircuitos para controladores LED, conocí sus productos en muchos dispositivos y también hay un distribuidor en Rusia: Platan. Elegí un chip con un interruptor de alimentación incorporado BP2832AJ: tiene "hermanos mayores" (o "hermanas" compatibles con pin 2 pines), BP2833 y BP2836 con menor resistencia de canal del MOSFET incorporado (si de repente necesita aumentar la potencia u obtener más eficiencia). Además, este chip se puede comprar en la Federación Rusa.

Lista de materiales final:

$ 0.81 es un buen resultado para la primera versión. Hay un pequeño margen, porque sabes cómo sucede, después de probar la primera iteración del tablero, por lo general, aparece un desajuste, y tienes que agregar algunos elementos "mágicos" de tres dólares cada uno.

Conclusión

¿Cómo reducir el ruido conducido sin agregar nuevos elementos al circuito? ¿Por qué no pueden usarse resistencias de película delgada en el corrector de relleno Valley? ¿Cómo aumentar la eficiencia luminosa de la lámpara sin aumentar la eficiencia del controlador LED? Aprenderá las respuestas a estas y otras preguntas de la segunda parte de este artículo. El artículo estará dedicado a las pruebas que el autor, junto con la primera iteración del tablero, tendrá que pasar, así como al desarrollo de la segunda iteración del dispositivo.

El poder es genial, enfréntalo.

Controlador LED con un costo de lista de materiales de menos de $ 1. ¿Es posible?