Reverzní (zpětný) inženýringsíťových LED napájecích zdrojů

Jakub Černoch Ing., Petr Sládek Ing., Osvětlení Černoch s.r.o.

Ohlédnutí do minulosti

 

Reverzní inženýring se zabývá analýzou již hotových řešení. Výsledky této analýzy mohou vést vytvoření shodného výrobku nebo procesu, ke zdokonalení tohoto řešení nebo také k odhalení jeho slabých míst. Bylo by proto chybou považovat tuto metodu jen za způsob kopírování stávajících výrobků, navíc bez kopírování úspěšných strategií by lidstvo zcela určitě nedosáhlo současného stupně rozvoje.

Síťové zdroje pro napájení LED – topologie

 

Klasické uspořádání síťového zdroje pro napájení LED svítidel se skládá ze tří stupňů:

  1. Vstupní filtr a usměrňovač– úkoly tohoto stupně je potlačení rušivého vyzařování z napáječe do sítě, případně potlačení přepěťových špiček přicházejících ze sítě a převod střídavého napětí a stejnosměrné
  2. Korektor účiníku PFC (Powerfactorcorrector) – tento stupeň zajištuje odběr proudu ze sítě blízký sinusovému. Bez tohoto stupně by zdroj odebíral proud ze sítě jen v krátkých okamžicích okolo maxima sinusovky a docházelo by k deformaci sinusovky v síti.
  3. Vlastní snižující měnič typu „flyback“ (pro menší příkony) nebo rezonanční LLC měnič (pro vyšší příkony a lepší účinnost).

Na obrázku 1 je charakteristické zapojení vstupního filtru a usměrňovače. Pro splnění požadavků norem na odolnost proti přepěťovým špičkám by měl být tento stupeň doplněn ještě další přepěťovou ochranou…

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-1

Obr. 1 Charakteristické zapojení vstupního filtru a usměrňovače

Typické zapojení korektoru účiníku je na obr. 2. Vstupem je pulzující usměrněné napětí, výstupem stabilizované stejnosměrné napětí okolo 400V, které slouží jako napájení pro poslední stupeň – snižující měnič.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-2

Obr. 2 Zapojení korektoru účiníku

Příkladem zapojení snižujícího měniče (rezonanční LLC) je schéma na obrázku 3.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-3

Obr. 3 Typické zapojení rezonančního snižujícího měniče

 

Síťové zdroje pro napájení LED – nejčastější prohřešky

 

1. Vstupní filtr a usměrňovač

V tomto stupni se nejčastěji objevují následující nedostatky.

  • Nedostatečné dimenzování filtračních prvků, většina zdrojů nesplňuje limity pro rušení vyzařované do sítě. Častým prohřeškem jsou nedostatečně napěťově dimenzované fóliové kondenzátory jak ve vstupním filtru, tak za usměrňovačem.
  • Úplná nebo částečná absence prvků pro ochranu proti přepěťovým špičkám ze sítě a protiproudovým špičkám vznikajícím při připojení zdroje k síťovému napětí (transily, bleskojistky, varistory – viz obr. 4). Díky tomu dochází k „nevysvětlitelným“ poruchám zdrojů obvykle při první bouřce nebo po opakovaném zapnutí.
  • Prakticky u všech sledovaných napájecích zdrojů chybí ochrana proti odpojení nulového vodičenebo záměně nulového a zemního vodiče, kdy se na vstupní svorky může dostat napětí až 480 V, což zdroje spolehlivě zničí.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-4

Obr. 4 Prvky pro ochranu proti přepěťovým a proudovým špičkám

 

2. PFC stupeň

Nejčastějším problémem těchto stupňů je nedostatečné dimenzování kondenzátorů, které jsou zapojené na výstupních svorkách tohoto stupně. Konstruktér tu má v zásadě dvě možnosti – použít elektrolytické nebo fóliové kondenzátory. U elektrolytických kondenzátorů (obr.5) je kritickým problémem jejich namáhání zvlněným proudem a zároveň poměrně vysoká teplota okolí. Běžně používané elektrolytické kondenzátory jsou schopny dosáhnout střední doby do poruchy cca 10-20 000 hodin, v případě speciálních typů vybraných s velkou rozervou lze dosáhnout střední doby do poruchy až 50 000 h (přiznávám se, že jsem takový zdroj ještě neviděl). Fóliové kondenzátory (obr.7) zajišťují střední dobu do poruchy v řádu set tisíc hodin, ale jsou poměrně drahé a rozměrné.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-5

Obr. 5 Elektrolytický kondenzátor v PFC stupni

Typická závislost doby života elektrolytického kondenzátoru je vyjádřena rovnicí:

rovnice

Kde:

L – očekávaná doba života

L0 – zaručená doba života při maximální povolené teplotě kondenzátoru

T0 – maximální povolená teplota kondenzátoru

T – skutečná teplota kondenzátoru, daná teplotou okolí a oteplením kondenzátoru protékajícím střídavým proudem

 

Graficky znázorněna tato závislost vypadá takto:

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-6

Obr. 6 Grafická závislost doby života elektrolytických kondenzátorů

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-7

Obr. 7 Fóliový kondenzátor v PFC stupni

 

3. Snižující měnič

Typickými prohřešky jsou nevhodně dimenzované spínací prvky (obvykle transistory MOS FET), úplně nejvíce problému jsme ale našli na pozici sekundárního usměrňovače. Na něj jsou kladeny poměrně vysoké nároky z hlediska rychlosti, zároveň přes něj tečou často vysoké proudy a jeho výkonová ztráta je nezanedbatelná. Optimálním řešením je použití synchronního usměrňovače (dva transistory MOSFET s řídícím integrovaným obvodem představují téměř bezeztrátové řešení), bohužel řada konstruktérů se raději uchyluje k jednoduššímu paralelnímu řazení usměrňovacích diod. Toto řešení má poměrně vysoké ztráty, navíc je nutné do série s každou diodou zařadit ještě malý odpor, protože napětí v propustném směru je negativně závislé na teplotě a tak může dojít k přetížení jedné diody na úkor ostatních.

 

Příklady nevhodně řešených LED zdrojů

 

Pro ilustraci výše uvedeného jsem zvolil dva příklady síťových zdrojů pro napájení LED. Volil jsem zdroje velmi renomovaných značek, protože popis nedostatků tzv. “low end“ zdrojů by vydal na několik stránek. Bohužel i přesto se v obou zdrojích podařilo odhalit několik poměrně závažných problémů a jsem přesvědčen, že deklarované střední doby života tyto zdroje nemohou v žádném případě dosáhnout.

 

Příklad 1

Zdroj pro napájení LED s maximálním výkonem 40 W při napájení 230 V stř., výstupní proud je nastavitelný externím odporem v rozsahu 300 až 1400 mA. Výrobce deklaruje životnost zdroje 50 000 hodin. Zdroj je umístěn v dvoudílné plastové krabičce, deska plošných spojů je zespoda pro zlepšení přestupu tepla podložena destičkou z tepelně vodivé silikonové gumy.

Na zdroji jsme identifikovali tyto kritické body:

Primární (síťová) strana – Poddimenzovaný fóliový kondenzátor 220nF/400VDC (oranžový) za usměrňovacím můstkem (obr. 8). Fóliový kondenzátor v této části by měl být třídy X2 (>630VDC/275VAC).Mechanické řešení PKT cívky (modrá, Epcos) která sedí na diodě a naklání se a varistor s přehýbanými vývody vypovídá o kvalitě inženýrské práce (obr.9).

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-8

Obr. 8 Poddimenzovaný fóliový kondenzátor, za pozornost stojí také nakřivo namontovaný transformátor

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-9

Obr. 9 Nevhodné řešení desky plošných spojů

Sekundární strana – paralelní skládání rychlých křemíkových (FRED) diod se záporným teplotním koeficientem napětí v propustném směru bez kompenzačních sériově řazených rezistorů je velmi nevhodná strategie snížení zatížení jedné diody. Vhodnější je použít například dvoučipovou diodu v jednom pouzdře DPAK a plošný spoj s tlustější měděnou fólií opatřit odmaskovanými průchody na druhou stranu desky, tak by se dioda dobře chladila. Průchody zajistí odvod tepla do spodku plošného spoje.Elektrolytický kondenzátor 3300uF/35V, tedy kritická součástka na tepelné namáhání z hlediska životnosti je přímo „nalepený“ silikonem na výše zmíněných diodách, které jsou jedním z největších zdrojů tepla v napáječi (obr. 10). FRED diody na sekundárním usměrňovači jsou zvoleny na zbytečně vysoké napětí, což zvyšuje ztráty v usměrňovači.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-10

Obr. 10 Elektrolytický kondenzátor nalepený na sekundárním usměrňovači

 

Příklad 2

Zdroj pro napájení LED s maximálním příkonem 150 W a výstupním proudem 1750 mA při napájení napětím 230 V stř. Výrobce deklaruje životnost zdroje 100 000 hodin. Zdroj je umístěn v dvoudílné plastové krabičce, lepidlo použité pro fixaci součástek i samotné desky ke krabičce se stává tekutým při cca 80-90°C, přesto výrobce na krabičce uvádí maximální teplotu krabičky 95°C. Při umístění do svítidla, jehož pracovní povrchová teplota chladiče je 50 až 60°C a prostor zdroje je tepelně spojený se svítidlem, dojde k uvolnění plošného spoje i součástek.

Na zdroji jsme identifikovali tyto kritické body:

Primární strana – Nedostatečná ochrana před přepěťovým impulsem (pouze jeden varistor cca na 3,5-4,5kA).Chybí překlenovací pomalá dioda (např 1N4007) přes PFC cívku, která omezuje proud při zapnutí tekoucí rychlou diodou (nabíjení elektrolytického kondenzátoru). Elektrolytický kondenzátor 47uF/450VDC (zelený) je bez rezervy z hlediska proudového namáhání. Výrobce (Aishi) uvádí maximální povolený zvlněný proud (RMS) 817mA, v daném zapojení je kondenzátor namáhán RMS proudem 800 mA. Navíc je tento kondenzátor při zapnutí bez zátěže namáhán nad 450VDC po dobu asi 150ms (u PFC není správně nastavená přepěťová ochrana) a při zátěži 60% dosahuje napětí překmitu rovných 450VDC. Jde tedy o vyložené překročení limitů výrobce a dosažení deklarované životnosti je nereálné. Celkový pohled na zdroj je na obr. 11.

Sekundární strana – Paralelní sestava 4ks Schottky/FRED diod je velmi problematické řešení, diody nejsou vůbec tepelně spojené. Mnohem vhodnější by bylo použít dvojitou Schottkydiodu v pouzdru v TO220 s malým chladičem, případně synchronní usměrňovač s dvěma transistory MOSFET.

Reverzn-(zpetny)-inzenyringsitovych-LED-napajecich-zdroju-11

Obr. 11 Celkový pohled na zdroj 150 W

 

Závěr

 

Otázka spolehlivosti napájecích obvodů pro LED svítidla je z mého pohledu dlouhodobě podceňovaná. Pokud chceme plně využít potenciál LED v oblasti doby života svítidla, je nutné kromě výběru skutečně kvalitních LED a zajištění jejich chlazení věnovat také pozornost výběru napájecího zdroje. Doba života svítidla je daná jeho nejslabším článkem, jímž je v mnoha případech právě napájecí zdroj. Bohužel nelze věřit deklaracím i renomovaných výrobců a je nutné napájecí zdroje kriticky prozkoumat z hlediska konstrukce i použitých součástek.

 

Literatura a odkazy

[1]    Firemní literatura Texas Instruments UCC24610 LLC controller

[2]    Firemní literatura STMicroelectronics- L6562 Transition mode PFC

[3]    Firemní literatura firmy Panasonic – Panasonic electrolyticcapacitors

Leave a Comment

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Cookies help us deliver our services. By using our services, you agree to our use of cookies. More Information