信頼性の高い低コストのLED電球設計のためのトランスレスLEDドライバー回路

LED電球は、蛍光灯や白熱電球などの他の従来の照明オプションよりも80％効率が高いと言われています。 LED電球の急速な適応はすでに私たちの周りで顕著であり、世界のLED電球の市場価値は2018年に約54億ドルに達しました。これらのLED電球を設計する際の課題は、私たちが知っているように、LEDライトがDC電圧と主電源で動作することです電源はACであるため、AC主電源電圧をLED電球に必要な適切なレベルのDC電圧に変換できるLEDドライバ回路を設計する必要があります。この記事では、LNK302スイッチングICを使用して4つのLED（直列）に電力を供給し、13.6Vで動作し約100〜150mAを消費する200ルーメンを提供できる実用的な低コストのLEDドライバ回路を設計します。

警告：先に進む前に、ACメインの周囲で細心の注意を払って作業することを確認することが非常に重要です。ここで提供される回路と詳細は、専門家によってテストおよび処理されました。事故は深刻な損害につながる可能性があり、致命的となる可能性もあります。ご自身の責任で作業してください。あなたは警告されました。

トランスレス電源回路

以前のトランスレス電源プロジェクトで行ったように、非常に大雑把なLEDドライバ回路をコンデンサドロッパー方式を使用して構築できます。これらの回路はまだいくつかの非常に安価な電子製品で使用されていますが、後で説明する多くの欠点があります。したがって、このチュートリアルでは、コンデンサドロッパー方式を使用せず、代わりにスイッチングICを使用して信頼性の高いLEDドライバ回路を構築します。

コンデンサドロップトランスフォーマーレス電源回路の欠点

このタイプのトランスレス電源回路は、部品点数が少なく、磁気（トランス）がないため、標準のスイッチモード電源よりも安価です。コンデンサのリアクタンスを使用して入力電圧を降下させるコンデンサドロッパー回路を使用します。

このタイプのトランスレス設計は、特定の製品の製造コストを低くする必要がある特定の場合に非常に役立ちますが、この設計はAC主電源からのガルバニック絶縁を提供しないため、直接接触しない製品でのみ使用する必要があります。人間と。たとえば、エンクロージャーが硬質プラスチックで作られ、一度取り付けられるとユーザーの操作のために回路部分が露出されない高出力LEDライトで使用できます。これらのタイプの回路の問題は、電源ユニットに障害が発生した場合、出力の両端に高い入力AC電圧を反映し、それがデストラップになる可能性があることです。

もう1つの欠点は、これらの回路が低電流定格に制限されていることです。これは、出力電流が使用するコンデンサの値に依存するためです。電流定格を高くするには、非常に大きなコンデンサを使用する必要があります。かさばるコンデンサも基板スペースを増やし、製造コストを上げるため、これは問題です。また、回路には、出力短絡保護、過電流保護、熱保護などの保護回路がありません。これらを追加する必要がある場合は、コストと複雑さも増加します。すべてがうまくいったとしても、それらは信頼できません。

それで、問題は、非絶縁型のACからDCへの高出力LEDドライバ回路を作るために、すべての保護回路とともに、より安く、効率的で、シンプルで、サイズを小さくできるソリューションはありますか？答えはイエスであり、それはまさにこのチュートリアルで構築しようとしているものです。

LED電球に適したLEDの選択

LED電球ドライバー回路を設計する最初のステップは、負荷、つまり電球に使用するLEDを決定することです。このプロジェクトで使用しているものを以下に示します。

上記のストリップのLEDは、57lmの光束を持つ5730パッケージの0.5ワットのクールな白色LEDです。順方向電圧は3.2Vにあるフォワードと3.6Vの最大最小120〜150ミリアンペアの電流。したがって、200ルーメンの光を生成するには、4つのLEDを直列に使用できます。このストリップに必要な電圧は3.4x 4 = 13.6Vで、電流100〜120mAが各LEDを流れます。

これが直列のLEDの回路図です–

LNK304-LEDドライバーIC

このアプリケーション用に選択されたドライバICはLNK304です。自動再起動、短絡、および熱保護とともに、このアプリケーションに必要な負荷を正常に提供できます。以下の画像で機能を確認できます–

他のコンポーネントの選択

他のコンポーネントの選択は、選択したドライバICによって異なります。このデータシートの場合、リファレンスデザインでは、2つの標準リカバリダイオードを使用した半波整流器を使用しています。しかし、このアプリケーションでは、全波整流にダイオードブリッジを使用しました。製造コストが増加する可能性がありますが、最終的には、負荷全体に適切な電力を供給するための設計上のトレードオフも重要になります。値のないスケマティックダイアグラムを下の画像に示します。次に、値を選択する方法について説明します。

したがって、このアプリケーションでは、ダイオードブリッジBR1がDB107として選択されています。ただし、このアプリケーションには500mAダイオードブリッジを選択することもできます。ダイオードブリッジの後、インダクタとともに2つの電解コンデンサが必要な場合にpiフィルタが使用されます。これにより、DCが整流され、EMIも減少します。このアプリケーション用に選択されたコンデンサの値は、10uF400V電解コンデンサです。値は2.2uF400Vより高くする必要があります。コストを最適化するために、4.7uFから6.8uFが最良の選択です。

インダクタの場合、定格電流1.5Aで560uH以上を推奨します。したがって、C1とC2は10uF 400V、L1は680uH、DB1には1.5ADB107ダイオードブリッジとして選択されます。

整流されたDCはドライバICLNK304に供給されます。バイパスピンは、0.1uF50Vコンデンサでソースに接続する必要があります。したがって、C3は0.1uF50Vセラミックコンデンサです。D1は、逆回復時間が75nsの超高速ダイオードである必要があります。UF4007として選択されています。

FBはフィードバックピンであり、抵抗R1とR2は出力電圧を決定するために使用されます。FBピンの両端のリファレンス電圧は1.635Vで、ICはフィードバックピンでこのリファレンス電圧を取得するまで出力電圧を切り替えます。したがって、簡単な分圧器計算機を使用することにより、抵抗値を選択できます。したがって、出力として13.6Vを取得するために、抵抗値は次の式に基づいて選択されます。

Vout =（ソース電圧x R2）/（R1 + R2）

この場合、Voutは1.635V、ソース電圧は13.6Vです。R2値を2.05kとして選択しました。したがって、R1は15kです。または、この式を使用してソース電圧を計算することもできます。コンデンサC4は10uF50Vとして選択されています。D2は標準の整流ダイオード1N4007です。L2はL1と同じですが、電流が少なくなる可能性があります。L2も680uH、定格1.5Aです。

出力フィルタコンデンサC5は100uF25Vとして選択されています。R3は、調整目的で使用される最小負荷です。ゼロ負荷レギュレーションの場合、値は2.4kとして選択されます。更新された回路図とすべての値を以下に示します。

トランスレスLEDドライバ回路の動作

完全な回路は、MDCM（ほとんど不連続導通モード）インダクタスイッチングトポロジで動作しています。ACからDCへの変換は、ダイオードブリッジとpiフィルターによって行われます。整流されたDCを取得した後、電力処理段階はLNK304とD1、L2とC5によって実行されます。D1とD2の両端の電圧降下はほぼ同じで、コンデンサC3は出力電圧をチェックし、コンデンサC3の両端の電圧に応じて、分圧器を使用してLNK304によって検出され、ソースピン間のスイッチング出力を調整します。

LEDドライバ回路の構築

インダクタを除く、回路の構築に必要なすべてのコンポーネント。したがって、エナメル銅線を使用して独自のインダクタを巻く必要があります。これで、コアのタイプ、ワイヤの太さ、巻数などを計算するための数学的アプローチがあります。ただし、簡単にするために、使用可能なボビンと銅線で数回巻いて、LCRメータを使用して到達したかどうかを確認します。必要な値。私たちのプロジェクトはインダクタ値にあまり敏感ではなく、電流定格は低いので、この大雑把な方法で問題なく動作します。 LCRメータがない場合は、オシロスコープを使用して、共振周波数法を使用してインダクタの値を測定することもできます。

上の画像は、インダクタがチェックされており、値が800uHを超えていることを示しています。L1とL2に使用されます。LED用にシンプルな銅張板も作られています。回路はブレッドボードで構成されています。

LEDドライバ回路のテスト

回路は最初にVARIAC（Variable Transformer）を使用してテストされ、次に110V / 220VAC電圧であるユニバーサル入力電圧でチェックされます。左側のマルチメータはAC入力の両端に接続され、右側の別のマルチメータは単一のLEDの両端に接続されて、出力DC電圧をチェックします。

読み取りは、3つの異なる入力電圧で行われます。左側の最初のものは85VACの入力電圧を示しており、単一のLEDの両端は3.51Vを示していますが、異なる入力電圧の両端のLED電圧はわずかに変化しています。詳細な作業ビデオは以下にあります。