מאת ג’יימס אליברטי [James Aliberti], מהנדס שיווק מוצרים, Texas Instruments
ברבים מבין היישומים המשתמשים בתאורה בהספק גבוה, כגון תאורת רחוב, תאורה גבוהה של אצטדיון ויישומים אחרים, קיימת מגמה לעבור לשימוש בתאורת רכיבי מצב מוצק, שמשתמשת בנוריות LED כבמקור לתאורה. הסיבה לאימוץ גישה זו היא הערך הברור שמוצע בנצילות אנרגיה גבוהה יותר ובתחזוקה שנדרשת בתדירות פחותה, שני גורמים המצדיקים את השינוי הזה במגמה.
ביישומים כאלו, המשתמשים בתאורה בהספק גבוה, קיימות כמה גישות שונות שנלקחות בחשבון לדחיפת הנוריות האלו. במאמר זה נסקור טופולגיה חדשה שדוחפת נצילות גבוהה יותר בעלות מערכת נמוכה יותר, הדרושות לדחיפת מחרוזות של תאורה בנוריות LED מרובות.
על מנת לאמוד במדויק את סגולותיה של טופולוגיה זו, עלינו ראשית לבחון את השיטות השונות שנלקחו בחשבון או שפעלו היטב ביישומים תאורה של נוריות LED בהספק נמוך יותר.
אחת השיטות הפשוטות היא להשתמש בספק כוח שממיר את מתח רשת החשמל למתח מוצא ישר כגון 12 או 24 וולט. לאחר מכן להזין בו מחרוזות של נוריות LED במקביל, ובעזרת נגדים בכל מחרוזת, לייצב את הזרם. זוהי גישה שעלותה נמוכה. עם זאת, עם נוריות ה-LED בעלות הבהירות הגבוהה שקיימות כיום, שיכולות למשוך זרמים שמעל 350 מילי-אמפר, גישה זו גורמת לצריכת הספק גבוהה ביותר. יש לה נצילות נמוכה והיא מפיקה ייצוב זרם גרוע, שעלול לגרום להבדלים בתפוקת התאורה, במידה שניתן להבחין בהם ממחרוזת למחרוזת.
כדי לשפר את הגישה הזו, מייצבים ליניאריים מחליפים את הנגדים ומשפרים בכך את האחידות של תפוקת התאורה של כל המחרוזות. אך זהו היתרון היחיד, מפני שאין שיפור שניתן להבחין בו בנצילות או בפיזור ההספק. הקטנת פיזור ההספק חשובה להארכה מרבית של חיי נוריות ה-LED. בשתי גישות אלו, בעצם השימוש בנגדים או במייצבים ליניאריים הם פועלים כמקורות חום וגורמים לקיצור חיי נוריות ה-LED באופן משמעותי.
שיטה אחרת, שאף היא פשוטה למדי, היא ליצור מחרוזת בסדרה יחידה וארוכה, בעזרת ספק כוח יחיד שיוצר מקור זרם קבוע וישר במתח גבוה. פעולת המתח הגבוה בגישה זו מציבה אותו מעל לרמות הבטוחות של מתח נמוך במיוחד, של 60 וולט מתח ישר או של 42 וולט RMS. הוא קושר את התקן התאורה או את המארז שלו לתהליך קבלת אישור הבטיחות מאת הרשויות ומקטין במידה משמעותית את הגמישות למימוש אותו תכנון חשמלי ביישומים אחרים.
שיקול נוסף בגישת המחרוזת היחידה היא אמינות. אם רק נורית LED אחת תתנתק, תאבד את תפוקת התאורה של כל ההתקן. קיימים אמצעים, כמו למשל הוספה של מעגל הגנת קצר [crowbar] או התקנים כדי לגשר על כל ניתוק, אך הם מוסיפים עלות ומורכבות להתקן התאורה.
השיטה המקובלת ביותר ביישומים של תאורת נוריות LED בהספק גבוה היא זו הנעשית בעזרת שימוש בארכיטקטורת מחרוזות מרובות עם מייצבים ממותגים לייצוב הזרם. כאן ספק כוח יחיד ממיר את מתח החילופין מרשת החשמל למתח ישר בפס צבירה יחיד, בדרך כלל במסגרת רמות בטיחות SELV. פס צבירה זה מספק מתח למחרוזות של נוריות LED במקביל, כאשר לכל מחרוזת יש ממיר מוריד (הנפוץ ביותר) או ממיר מעלה. למען הפשטות, נתחום את הניתוח שלנו לממיר מוריד מפני שממיר מעלה דומה מאוד מבחינת עלות ורכיבים.
לדוגמה, באיור 1 אנו רואים את מעגל המייצב המוריד הפשוט בעלות נמוכה. הוא מורכב מבקר PWM, משרן, טרנזיסטור MOSFET, דיודה ונגדים וקבלים רבים. אם תידרש נצילות רבה יותר, ניתן יהיה להחליף את הדיודה בטרנזיסטור MOSFET ולהשתמש בבקר אפנון PWM שמאפשר הורדת מתח סינכרונית.
איור 1. מייצב מוריד פשוט
באיור 2 אפשר לראות את חלקי מערכת המשנה השונים של יישום לתאורה במחרוזות מרובות ובהספק גבוה עם מייצבי ם מורידים לייצוב הזרם.
איור 2. מערכת אופיינית לתאורה בנורות LED בהספק גבוה שמשתמשת במייצבים מורידים
מתח החילופין מכניסת רשת החשמל עובר יישור ומוזן אל מעגל מעלה עם תיקון גורם הספק [PFC], שבו תיקון גורם ההספק מפיק מתח גבוה של 400 וולט, אשר מזין את הכניסה לממיר מתח ישר למתח ישר מבודד שבהמשך. מוצא ממיר מתח ישר למתח ישר משמש לאחר מכן כדי להפיק פס צבירה במתח נמוך, בדרך כלל בטווח של 12 וולט או 24 וולט, ובכך מספק מתח מיוצב למחרוזות של נוריות ה-LED.
לגישה זו יש נצילות גבוהה למדי, והיא מהווה בחירה טובה למחרוזות מינימליות של נוריות LED. ואולם, ליישומים הפועלים בהספק גבוה עם ארבע מחרוזות או יותר, כמות הרכיבים והעלות יכולים ממש להצטבר. ליצרני הרכיבים האלקטרוניים ולשרשרת האספקה, עובדה זו יכולה להוביל למכירה כדאית. אבל, ליצרני התאורה וללקוחותיהם, העלות הגבוהה עלולה להיות גורם שימנע אימוץ נרחב. מה שנדרש ליכולת הקיום בטווח הרחוק של תאורה ברכיבי מצב מוצק הם מעגלי דחיפה בעלות נמוכה, שיכולים לאפשר לשוק להשתרש ולצמוח באין מפריע.
איור 3 מראה דחיפת SIMPLE (דחיפה של נוריות LED מרובות במקביל, עם כניסה טורית). זו גישה כדאית מבחינת עלותה כדי לדחוף מחרוזות של נוריות LED מרובות. פרט למעגל תיקון גורם ההספק, זו גישה למעגל שתי דרגות, מורכבת ממייצב מוריד לזרם קבוע ממיר לזרם חילופין, ובהמשך מעגל שנאי ממיר מתח ישר למתח ישר. היא יעילה במיוחד, יש לה ייצוב זרם מעולה למחרוזת, וחשוב מכל, זו גישה שמשלבת עלות נמוכה יותר. היא יכולה להיות גם בעלת יתירות [redundancy] מובנית עם מעגל הגנה נגד קצר של מיישר מבוקר סיליקון [SCR] יחיד שפועל כפסיבי, שמתווסף לכל מחרוזת. אם תינתק נורית LED או מחרוזת, הם לא יינתקו את כל המחרוזות הנותרות.
בטרם נפנה לדרך הפעולה, נסקור כמה דברים שעולים באופן מיידי בעת השימוש בגישה של שנאי מרובה בדחיפת SIMPLE. ראשית, יש לשים לב שזהו תכנון מבודד מבחינה חשמלית, שבו ניתן לתכנן את מתחי המוצא בצד המשני, כך שיישארו בתחום רמות בטיחות SELV. כאשר המתח במוצא נשאר בתחום רמות בטיחות SELV, אין צורך לקיים את הדרישה שהתקן התאורה יהיה משולב עם ספק כוח ושהחיבורים הפנימיים יקבלו את אישורי הבטיחות מהרשויות. העובדה שהמוצא נמצא בתחומי רמות אלו מוסיפה לגמישות המובנית, ובכך מתאפשר למבחר מרובה של התקנים לתת מענה ליישומי תאורה רבים אחרים. לספק הכוח עדיין נדרשים אישורי בטיחות, בדיוק כמו לכל הפתרונות האחרים שהוזכרו במאמר זה, אך לא להתקן התאורה.
בנוסף, התכנון המבודד יכול להיות טוב יותר באופן משמעותי, מנקודת מבט של ניהול תרמי, מפני שאין מגבלות על סמיכותם של נוריות ה-LED או על המגע שלהם במסגרות המתכת. מאפיין נוסף שבולט, הוא שלא נדרש כאן משוב מכיוון היציאה. עובדה זו מבטלת את הצורך בהתקן משוב מבודד מסוג אופטי או מבודד בדירוג בטיחות אחר. ולסיכום, נתבונן בפשטות של הצד המשני. יש לו רכיבים פסיביים מועטים בלבד, ואין לו מקור אספקת ממתח, רכיבים אקטיביים או בקרה מסוג כלשהו.
כאשר הדבר נוגע לפעולה, לדחיפתSIMPLE יש התאמה מעולה של זרמי המחרוזות, שהיא טובה יותר מאחוז אחד. יש לה פעולה בתהודה לקבלת נצילות גבוהה והיא הופכת להיות יותר כדאית מבחינת עלות, ככל שמספר המחרוזות גדל.
איור 3. שנאי מרובה עם דחיפת SIMPLE
תיאור כללי
היציאה של מעגל תיקון גורם ההספק [PFC] היא הכניסה של המעגל המוריד הממיר לזרם חילופין. הקונפיגורציה של המעגל המוריד מוגדרת להפיק יציאת זרם קבועה. זה הזרם של הלולאה הסגורה של המערכת. יציאת הזרם שהיא מפיקה מוזנת בהמשך למעגל שנאי הממיר מתח ישר למתח ישר, אשר מורכב מבקר חצי גשר, שני טרנזיסטורי MOSFET, הקבלים C1 ו-C2 והשנאים. לאחר מכן, הזרם הזה עובר דרך מתגי טרנזיסטורי MOSFET של חצי הגשר, אל הצדדים הראשיים של השנאים בטור. הקבלים C1 ו-C2 משמשים לכמה פונקציות. הם משמשים ליצירת מחלק מתח עבור חצי הגשר, הם מהווים חלקים ממעגל התהודה, והם קבלים חוסמי מתח ישר שעוזרים במניעת רוויה של השנאים.
פעולת התהודה מאפשרת למתגי טרנזיסטורי MOSFET למתג במתח אפס [ZVS]. היא מקטינה את הפסדי המיתוג ומאלצת את הדיודות ביציאה למיתוג בזרם אפס [ZCS], שתי פעולות שתורמות לנצילות מקסימלית.
הזרם הישר, שכעת הומר לזרם חילופין, מתנדנד הלוך וחזור בתהודה דרך הצד הראשי של כל השנאים שבטור. מספר הסלילים הראשיים של שנאים שניתן להציב בטור גמיש למדי, מפני שניתן לבחור ביחס הכריכות כדי לתמוך בשנאים רבים או במחרוזות רבות של נוריות LED. מה שנדרש לקחת בחשבון לצורך חישוב יחס הכריכות הוא המספר של המחרוזות, מפני שאלו מכתיבים את מספר השנאים ואת המתח של כל מחרוזת.
שיקולי תכנון
כדי להשיג את הנצילות הגבוהה ביותר שאפשר לקבל בהמרה של מתח, המטרה היא לעבד את כמות ההספק הנמוכה ביותר האפשרית. לצורך כך, עלינו לפעול קרוב למתח הכניסה. מאחר שעדיף להשתמש ברוב היישומים לתאורה שבהספק גבוה בתיקון אקטיבי של גורם ההספק, כדי לפשט, נתייחס לזה כאל בלוק פונקציונלי ונקצה ליציאה שלו כמה ערכים אופייניים.
מאחר שרוב מעגלי תיקון גורם ההספק האקטיביים פועלים כמעגלים מעלי מתח, יש לקבוע את מתח היציאה של מעגל תיקון גורם ההספק שיהיה גבוה יותר מהשיא של מתח קו החילופין הגבוה ביותר. עם טווח כניסה אוניברסאלי של 85-265 וולט מתח חילופין, מתקבלת תוצאה של 375 וולט בערך. אם נוסיף מעט מרווח עבור שוליים וטולרנסים, מתקבלת נקודת הגדרה אופיינית של 400 וולט. כדי להבטיח שלמייצב המוריד שבהמשך יש די והותר מרווחים מהשינויים ביציאה של מעגל PFC, יש להוסיף מעט יותר שוליים עבור אדוות של 40 וולט בערך. כל זה הופך את נקודת הפעולה המינימלית בכניסה של מעגל המייצב המוריד הממיר לזרם חילופין ב-360 וולט בערך.
על מנת להבטיח שביציאה של המייצב המוריד יהיה מתח תואם כלשהו כדי שיוכל לפעול בצורה נכונה, יש לתת גם לו מעט מרווח ולהגביל את טווח היציאה שלו ל-280 וולט.
כעת, משאנו יודעים את הגבולות, נתבונן בדוגמת התכנון המראה כיצד לחשב את הערך של הזרם הקבוע מהמייצב המוריד ואת יחס הכריכות של השנאים.
בדוגמה זו אנו משתמשים בשני שנאים כדי לדחוף ארבע מחרוזות של נוריות LED בזרם של אמפר אחד. לכל מחרוזת יש עשר נוריות LED בהספק גבוה.
הנחות: המתח הקדמי של נוריות LED הוא Vf = 3.5V עם מתח מחרוזת = 35 וולט
מאחר שקבענו את נקודת הפעולה ביציאה של מייצב המתח הישר המוריד ל-280 וולט, היא משמשת כעת כנקודת הכניסה למעגל השנאי הממיר מתח ישר למתח ישר. פירושו של דבר שהמתח המופעל על הסלילים הראשוניים שבטור יהיה מחצית מאותו מתח שמתקבל ממחלק המתח קבלים שנוצר מהקבלים C1 ו-C2, כלומר 140 וולט על פני מערך הסלילים הראשוניים בטור.
החישוב של יחס הכריכות הופך עתה להיות קל למדי כפי שניתן לראות במשוואה 1:
מתח הסליל הראשי (Vp) של כל שנאי = מתח הגשר מספר השנאים = 140 וולט 2 = 70 וולט
(משוואה 1) יחס כריכות של 2:1
כאשר:
Np = מספר הכריכות בסליל הראשי
Ns = מספר הכריכות בסליל המשני
Vs = המתח בצד המשני או מתח מחרוזת נוריות LED
Vp = המתח על פני כל סליל ראשי
כדי לחשב את הנקודה המוגדרת של יציאת הזרם המיושר במייצב המוריד, שבה כל שנאי דוחף שתי מחרוזות של נוריות LED, קודם לכן, יש להכיר בכך שרק מחרוזת אחת בכל שנאי מוליכה במחצית מחזור לסירוגין. המשמעות היא שהזרם שיש לספק למחרוזת המוליכה כדי לקיים את המשך התאורה של נוריות LED במהלך זמן הקיטעון, חייב להיות כפול מהזרם של נוריות ה-LED. במקרה זה, כאשר 1 אמפר הוא הזרם הרצוי של נוריות ה-LED, הזרם שיש לספק לנוריות ה-LED ולקבל הסינון במחצית של כל מחזור הוא 2 אמפר.
כדי לחשב את נקודת הזרם המוגדרת (ISet) של המייצב המוריד, ראה משוואה 2:
(משוואה 2)
מסקנה
כפי שאפשר לראות, כדי להגדיר את דרישות השנאי, יש צורך בחישוב פשוט מאוד שהופך את דחיפת SIMPLE לפתרון גמיש ביותר, שנותן מענה למספר יישומי תאורה שונים. אם יש כוונה להפוך את דחיפת SIMPLE לחלק מאסטרטגיה לגישה מודולרית עבור יישומים רבים של תאורה בנוריות LED, יש לקחת בחשבון את דרגות ההספק הראשונות, כמו למשל, רכיבים לטיפול בהספק שבחצי הגשר, מייצב מוריד מיישר ומעגל תיקון גורם הספק, מפני שיש להגדיר אותם על מנת לטפל ברמת ההספק הגבוהה ביותר המצופה מהדוחף.
מידע נוסף
למידע נוסף בנוגע לשנאי מרובה בדחיפת SIMPLE, כולל תכנונים לייחוס, עיין בתיקיית המוצר UCC28810, בכתובת: www.ti.com/ucc28810-ca, או במודול להערכה, בכתובת: www.ti.com/ucc28810evm003-ca.
למידע נוסף בנוגע לפתרון זה או לפתרונות הספק אחרים מאת Texas Instruments, בקר בכתובת: www.ti.com/power-ca.
לשאלות ולשיתוף ידע פנה לקהילת התכנון המקוונת E2E של TI, בכתובת: http://www.ti.com/e2e-ca.
על אודות המחבר
ג’יימס (ג’ים) אליברטי [James (Jim) Aliberti] הוא מהנדס שיווק מוצרים לבקרת ספקי כוח בחברת Texas Instruments, שבה הוא אחראי לשיווק טכני. הוא סיים בתואר BSET ו-ASET במכון הטכנולוגי Wentworth, בבוסטון, במסצ’וסטס. ג’ים שרת בחיל הים של ארה”ב, שם למד אלקטרוניקה תעופתית. מלבד בילוי בקרב משפחתו, ג’ים מבלה את זמנו החופשי במשחקי גולף.
