Импульсные стабилизаторы тока HV9921-HV9923 для светодиодов

Трёхвыводные импульсные стабилизаторы тока HV9921, HV9922, HV9923 производства фирмы Supertex.inc предназначены для питания светодиодов стабилизированным током 20, 50 и 30 мА соответственно в условиях изменения напряжения источника питания в весьма широких пределах - от 20 до 400 В [1—4]. В частности, таким источником может служить выпрямительный мост, на который подано напряжение сети, причём применение конденсатора, сглаживающего пульсации выпрямленного напряжения, необязательно. Регулирование тока через светодиоды не предусмотрено.

Использование этих микросхем позволяет предельно упростить сетевой блок питания светодиодов.
Вместо светодиодов к стабилизатору тока можно подключить стабилитрон и тем самым получить простой импульсный понижающий преобразователь напряжения. В зависимости от тока нагрузки КПД стабилизатора может достигать 80 % и более. Такой источник хорошо подойдёт для питания узлов управления мощными высоковольтными коммутирующими электронными приборами (транзисторами, тиристорами и др.).

 
Стабилизаторы HV9921— HV9923 выпускают в миниатюрных пластмассовых корпусах ТО-92 (рис. 1; с штампованными жёсткими лужёными выводами, для традиционного монтажа) и SOT-89 (рис. 2; для поверхностного монтажа). К обозначению микросхемы в корпусе ТО-92 добавлены символы N3 (например, HV9921N3), а в корпусе SOT-89 — N8(HV9921N8).

 
Если к обозначению прибора через дефис добавлена буква G (от Green), это означает, что он не содержит свинца. От наличия или отсутствия этого индекса электрические параметры приборов не зависят.
К теплоотводящему фланцу (вывод 4) микросхемы в корпусе SOT-89 не следует подключать токоведущие цепи и детали.

 
Упрощённая функциональная схема прибора представлена на рис. 3, а его цоколёвка — в табл. 1.

     Рис. 3. Функциональная схема прибора

Таблица 1

Таблица 2.

Классификационный параметр микросхем рассматриваемой группы — выходной стабилизированный ток — указан в табл. 2. Микросхемы стабилизируют не среднее значение тока через светодиоды, как микросхема МР2481 [5], а максимальное. Среднее значение тока оказывается немного меньше из-за пульсаций, о чём будет подробно рассказано ниже.

Основные технические характеристики

Предельно допустимые значения

Стабилизатор тока содержит устройство управления, RS-триггер DD1, управляющий выходным транзистором VT1, с буферным усилителем сигнала DA2, элемент временной задержки DT1, компаратор напряжения DA1, источник образцового напряжения G1, резистор R1 — датчик тока истока выходного транзистора, управляемый электронный выключатель SA1 и встроенный стабилизатор DA3 с выходным напряжением 7,5 В, обеспечивающий питание всех узлов прибора.

Рис. 4. Типовая схема включения HV9922

Типовая схема включения стабилизатора тока показана на рис. 4. Питаемые от стабилизатора светодиоды EL1 — ELN соединяют последовательно. Для работы стабилизатора необходим накопительный дроссель L1 и диод \/01 с малым временем восстановления обратного сопротивления t_r.

 
После подачи напряжения питания его значение анализирует устройство управления. Если напряжение находится в допустимых пределах, устройство управления устанавливает RS-триггер DD1 в состояние высокого уровня на выходе, в результате чего выходной транзистор VT1 открывается. Начинается зарядка паразитной ёмкости дросселя L1, диода VD1 и самого транзистора током его насыщения I_нас. завершающаяся через короткое время t_с.

На время t_BLANK=300 мс устройство управления размыкает "контакты" электронного выключателя SA1, разрывая цепь ОС с резистором R1 — датчиком тока через канал транзистора VT1. За это время должны завершиться зарядка паразитной ёмкости и другие переходные процессы (такие, в частности, как восстановление обратного сопротивления диода VD1).

 
После зарядки паразитной ёмкости начинается этап накопления энергии в дросселе. Ток l_L через него линейно увеличивается, как показывает упрощённый график на рис. 5 (l_c — ток стока транзистора VT1; l_L — ток через дроссель L1; t_on + t_off — период следования импульсов тока).

Рис. 5

 
По истечении временного интервала t_BLANK замыкаются "контакты" выключателя SA1, восстанавливающие цепь ОС резистора R1 с неинвертирующим входом компаратора DA1.
Когда напряжение на датчике тока — резисторе R1 — превысит образцовое напряжение источника G1, компаратор переключится в состояние с высоким уровнем на выходе и переведёт RS-триггер в состояние низкого уровня на прямом выходе. В результате выходной транзистор закроется.

После этого открывается внешний диод VD1 (см. схему на рис. 4) и продолжается питание нагрузки (светодиодов EL1— ELN) энергией, накопленной дросселем L1. Ток через дроссель линейно уменьшается, но не до нуля, а на глубину пульсаций ΔI.

Если не разомкнуть на время t_BLANK цепь ОС, то транзистор VT1 будет выключен не током дросселя, а током через паразитную ёмкость, в результате чего дроссель не сможет за период работы стабилизатора накопить энергию, необходимую для питания светодиодов.

 
После закрывания выходного транзистора сигнал с инверсного выхода триггера поступит на вход элемента временной задержки DT1, а через фиксированный отрезок времени t_off — на верхний по схеме вход S триггера. В результате триггер вернётся в исходное состояние и транзистор вновь откроется.
Микросхема стабилизирует максимальный ток через дроссель на уровне I_max. Средний ток через светодиоды равен:

Размах пульсаций ΔI фирма—производитель микросхем рекомендует устанавливать не превышающим 30 % от I_max:

Индуктивность L1 дросселя выбирают исходя из формулы

 
где U_CB — суммарное падение напряжения на светодиодах EL1—ELN; t_OFF — длительность закрытого состояния выходного транзистора микросхемы, равная 10,5 мкс.

 Например, для стабилизатора тока HV9922 I_max=50 мА, ΔI=0,3I_max=15 мА. Пусть U_св = 30 В, тогда по формуле (3) L1≈20мГн.

 
Индуктивность дросселя не должна быть меньше расчётной, но и чрезмерно увеличивать её не следует, так как большей индуктивности дросселя сопутствует его большая собственная ёмкость.
По истечении временного интервала t_OFF выходной транзистор стабилизатора тока снова открывается, начиная очередной интервал t_BLANK минимальная продолжительность которого равна 200 нc. Первые 50 нc уходят на восстановление обратного сопротивления внешнего диода VD1. На зарядку паразитной ёмкости остаётся 150 нc.

 
Пусть напряжение питания стабилизатора U_пит = 300 В, а минимальный ток насыщения выходного транзистора U_{нас мин} = 100 мА. Тогда за 150 нс он сообщит заряд Q = 15нКл, отсюда следует, что общая паразитная ёмкость не превышает

Из них 8 пФ - ёмкость диода VD1, 1 пф — ёмкость транзистора, учтём также ёмкость монтажа. Поэтому собственная ёмкость дросселя L1 в этом примере не должна превысить 30 пф.

Для промышленно изготавливаемых катушек вместо собственной ёмкости обычно в справочниках указывают собственную резонансную частоту f₀, по которой легко вычислить собственную ёмкость С₀ по известной формуле

 
где L₀— номинальная индуктивность.

 
Если дроссель самодельный или его частота собственного резонанса неизвестна, желательно её измерить хотя бы с помощью гетеродинного индикатора резонанса (ГИР) или иных приборов.
В общем случае паразитная ёмкость С_п должна удовлетворять [7] неравенству

 
Если светодиоды выдерживают перегрузку током I_нас в течение времени t_{BLANK max} = 400 мс, то конденсатор С1 (см. рис. 4) можно не устанавливать. Однако он не только предотвращает перегрузку светодиодов (поскольку импульсы зарядки паразитной ёмкости протекают через него, а не через нагрузку), но и устраняет влияние индуктивности проводов светодиодной цепи, а также паразитное излучение ими электромагнитных колебаний (антенный эффект). Поэтому во всех практических случаях конденсатор С1 удалять не следует.

На этом период работы стабилизатора тока завершён. В следующем периоде все процессы повторяются. В каждом периоде происходит зарядка паразитной ёмкости С_п до напряжения питания U_пит, а также переключение диода VD1 током I_нас из открытого состояния в закрытое в течение времени t,.

Поэтому мощность, рассеиваемая транзистором при переключении P_sw, равна [3]
 

 
где f_s — частота колебаний, которую можно вычислить по формуле

 
где η, — КПД стабилизатора тока, который в расчётах фирма—производитель микросхем рекомендует принимать равным 0,7. Подставляя (7) в (6), получим
 

 
Сопротивление канала открытого выходного транзистора r_0N не равно нулю. Когда транзистор открыт, на нём рассеивается мощность I²_выхr_ON а когда закрыт, микросхема потребляет от источника питания ток I_пот, рассеиваемая мощность равна I_пот U_пот Зная коэффициент заполнения D коммутирующих импульсов, получим формулу для расчёта рассеиваемой мощности
 

 
В качестве I_вых в формулу подставляют средний ток через светодиоды, вычисленный по формуле (1). Для упрощения расчётов вместо среднего тока можно подставить максимальный  I_{вых max}. так как рассеиваемую мощность лучше рассчитать с избытком.

 
Коэффициент заполнения коммутирующих импульсов D рассчитывают по формуле
 

 
Общая рассеиваемая микросхемой мощность равна сумме значений, рассчитанных по формулам (8) и (9):

 
Если к выводам V_DD и GND подключена нагрузка, то потребляемый ею ток складывается с током, потребляемым микросхемой. Это необходимо учесть в формуле (9).

 
Следует отметить, что выходное напряжение U_CB не может быть близко к нулю. Минимальная длительность t_ON может достигать 0,65 мкс, a t_OFF — 8 мкс. Отсюда следует, что минимальное значение D
 

 
Подставив (12) в (10), получим

 
Говоря иначе, нельзя требовать от стабилизатора понижения напряжения более чем в 20 раз от максимального. Например, при напряжении питания 300 В падение напряжения на цепи светодиодов должно превышать 15 В. Фирма—производитель рассматривавмых микросхем рекомендует выбирать максимальное выходное напряжение на уровне 80 % от напряжения питания [1]. Кроме этого, если разность U_пит - U_вых будет менее 20 В, устройство управления закроет транзистор VT1, решив, что напряжение питания микросхемы недостаточно.

 
Устройство, собранное по схеме на рис. 4, может быть использовано в качестве источника стабильного напряжения, снимаемого с цепи светодиодов или любой её части. Светодиоды можно также заменить стабилитронами, включёнными в обратной полярности (катодом к плюсовому выводу источника питания). Такой источник питания вырабатывает стабилизированное напряжение на выходе относительно плюсового провода высоковольтного питания.

 
На практике может потребоваться источник, соединённый с минусовым проводом питания. Для этого случая, соблюдая полярность, меняют местами микросхему и остальные элементы, т. е. включают двухполюсник VD1L1C1EL1—ELN в разрыв провода от вывода 2 микросхемы (показано на рис. 4 крестом). Конденсатор С2 оставляют подключённым к выводам 2 и 3. Заменив светодиоды стабилитроном на необходимое напряжение, получают понижающий преобразователь напряжения с высоким КПД и общим минусовым проводом.

 
Заметим, что у такого источника питания выходное напряжение не может быть меньше вычисленного по формуле (13) значения. Есть у него и недостаток — по той же причине он не выдерживает замыкания цепи нагрузки, поскольку при этом выходное напряжение становится равным нулю, что противоречит формуле (13).

 
Для преодоления этого недостатка фирма—производитель рекомендует включить последовательно с дросселем резистор [6], подобранный так, чтобы падение напряжения на нём превысило вычисленное по формуле (13). Этот резистор, однако, делает форму тока через дроссель не линейной, а близкой к экспоненциальной, что существенно усложняет расчёты.

 
ЛИТЕРАТУРА

1.  HV9921/HV9922/HV9923. 3-Pin Switch-Mode LED Lamp Driver ICs.
2.  HV9921 3-Pin Switch-Mode LED Lamp Driver 1С..
3.  HV9922 3-Pin Switch-Mode LED Lamp Driver 1С.
4.  HV9923 3-Pin Switch-Mode LED Lamp Driver 1С.
5.  Евсиков М. Стабилизатор тока МР2481 для питания мощных светодиодов. — Радио, 2011, №4, с. 45—47.
6.  Supertex inc. DN-H03  Alternate Use of the HV9922 as an Off-line, Non-Isolated, 50 to 100mA Auxiliary Power Supply..

Радио, №4  2012г   M. ЕВСИКОВ