בריאן קינג, טקסס אינסטרומנטס
שעה שנורות LED ממשיכות לחדור לשוק ומחליפות את מקורות התאורה של הדור האחרון, עולים וצצים אתגרים חדשים בתחום התכנון ההנדסי. אתגרים אלו מופיעים דרך בעיות תרמיות, אופטיות וחשמליות. מבחינת מהנדס החשמל, המחשבה על הבאת הנצילות עד למקסימום תעמוד תמיד בראש הרשימה. ואולם, הבחירה בטופולוגיה המתאימה לדחיפת נורות LED יכולה לפעמים להיות מוכתבת על ידי היישום. לדוגמה, יש לאפשר בנורות LED המשמשות בהברגה בתושבות של נורות ליבון אפשרות לעמעום באמצעות טרייאק (triac), ובכך למעשה מצטמצם מבחר הטופולוגיות שעומדות לבחירה. במקרה של תאורת רחוב באמצעות נורות LED, בתלות ברשויות החוק, ברוב המקרים לא יהיה צורך כלל בבידוד, ולעומת זאת, לעיתים קרובות יהיה צורך בתיקון גורם הספק (PFC). ביישומים אלו הממיר PFC SEPIC מספק פתרון אלגנטי לדחיפת נורות LED.
באופן מסורתי, אנו משיגים את תיקון גורם ההספק בציוד קצה באמצעות השימוש בממיר מעלה (boost). גורם ההספק מוגדר בדרך הבאה: היחס בין עוצמת ההספק הממשי להספק המדומה, אשר מסופק למערכת. המעגל המשולב (IC) של בקר ממיר מעלה עם תיקון גורם הספק, מאלץ את זרם הכניסה לעקוב אחר הצורה של המתח המיושר מקו מתח החילופין, על מנת להשיג גורם הספק גבוה. יציאת הממיר המעלה מזינה ממיר מתח ישר למתח ישר, כדי לחולל את המתחים הנדרשים למערכת. פעולה זו גורמת להמרה כפולה ומגבילה באופן חמור את הנצילות המקסימלית האפשרית. אף אם לשתי הדרגות תהיה נצילות של 94 אחוזים, הנצילות המשולבת תהיה רק 88 אחוזים – (0.94 * 0.94 = 0.88). ביטול ההמרה השנייה ידחוף את הנצילות של ספקי הכוח, יחסוך בהספק ויקטין את עומס החום.
בעת השימוש בממיר מעלה, המתח הישר ביציאה חייב להיות גבוה יותר ממתח הכניסה בשיא. עבור מערכת שנדרש ממנה לפעול באמצעות כניסת מתח חילופין של 265 וולט, המתח הישר במוצא חייב להיות גדול יותר מ-375 וולט. ביישום של תאורת רחוב באמצעות נורות LED, מתח היציאה משתנה בתלות בנפילת המתח הקדמי לכל נורית LED ובמספר נוריות ה-LED שמחוברות במחרוזת הטורית. בדרך כלל, נפילת המתח הקדמי היא 3.5 וולט עבור נוריות LED לבנות, אך יש לה טולראנס רחב למדי. מספר נוריות LED שבמחרוזת תלוי ביישום, אך כמעט תמיד יגרום למתח מוצא כולל של פחות מאשר 375 וולט (ישר), עובדה שמונעת את אפשרות השימוש בממיר מעלה. איור 1 מראה שעל מנת לייצב את מתח נורית LED, הממיר חייב להעלות את חלק המחזור של 50 הרץ /60 הרץ, שבו מתח הכניסה נמוך ממתח היציאה, ולהוריד את החלק שנותר. הממיר SEPIC הוא אולי הטופולוגיה הבסיסית ביותר שאינה מבודדת, אשר מסוגלת לבצע את המשימה הזו.
איור 2 מדגים שימוש במעגלי תיקון גורם הספק מפושטים עבור הממיר המעלה ומעגל SEPIC בצימוד משרן. העובדה שחיבור המקור (source) של הטרנזיסטור FET הראשי להספק מחובר להארקה ראשית בשתי הטופולוגיות, הופכת את השליטה בשתיהן לקלה. למעשה, ניתן להשתמש עם כל בקר PFC מעלה בקונפיגורציית SEPIC, ללא קשר לאופן הפעולה. פעולה באופן של הולכה לא רציפה (DCM) יכולה להיחשב ליתרון מפני שהיא מבטלת את הפסדי ההספק העודפים שנוצרים כתוצאה מהתאוששות הדיודה ביציאה מהממתח ההפוך בפעולה באופן של הולכה רציפה (CCM).
ועם זאת, פעולה באופן של הולכה לא רציפה גורמת לזרמי שיא גבוהים יותר, יוצרת בעיות פוטנציאליות של הפרעות אלקטרו–מגנטיות (EMI) ומעלה את זרם החילופין בתדר גבוה. פעולה במצב מעבר (TM) בגבולות אופני DCM ו-CCM משפרת את היתרונות של אופן הפעולה DCM תוך כדי הקטנה של זרמי השיא עד למינימום. בשל זרמי השיא הגבוהים באופן יחסי, מצב מעבר יהיה מוגבל, בדרך כלל, להספקי יציאה של 150 וואט או פחות.
בקר תיקון גורם הספק במצב מעבר פועל על ידי שליטה בזרם השיא בטרנזיסטור FET הראשי להספק. בעת שימוש במתח קו מיושר לצורך ייחוס, זרם השיא של טרנזיסטור FET מאולץ לעקוב אחר צורת גל הסינוס של כניסת זרם החילופין. אפשר לחשב בממיר המעלה את זרם הכניסה הממוצע אל הממיר, בכל נקודה שהיא, של צורת גל הסינוס 50 הרץ / 60 הרץ, על ידי הנוסחה:
לכן, זרם השיא בטרנזיסטור FET בממיר מעלה של מצב מעבר יהיה תמיד שווה לפעמיים זרם הקו הממוצע, וזרם הקו הממוצע יעקוב אחר מתח הקו במידה רבה למדי. לעומת זאת, במעגל SEPIC במצב מעבר עם צימוד משרן, זרם הקו הממוצע מאופנן בכל נקודה של צורת גל הסינוס על ידי מחזור העבודה (duty cycle) ואפשר לחשב אותו בעזרת הנוסחה הבאה:
המונח מחזור עבודה “D” שבמשוואה זו, הוא המעוות את צורת הגל של הזרם. מחזור העבודה תלוי ביחס שבין מתח היציאה למתח הכניסה, והוא משתנה על פני המחזור של גל 50 הרץ/ 60 הרץ. איור 3 מראה את צורות הגל של זרם הקו עבור תכנון ממיר מעלה במצב מעבר ועבור תכנון SEPIC במצב מעבר, עם מתחים שונים ביציאה. ביישומים רבים, העיוות נמוך דיו כדי לספק גורם הספק מתאים ולעמוד בכל הדרישות של ההרמוניות בקו.
איור 4 מציג תרשים של מעגל SEPIC במצב מעבר עם תיקון גורם הספק שמתוכנן לכניסת זרם חילופין של 230 וולט, ומספק זרם למחרוזת של 80 נוריות LED לבנות. מפל המתח על פני המחרוזת יכול להשתנות ממתח ישר של 256 וולט עד למתח ישר של 304 וולט. חישת זרם נורית LED נעשית באמצעות R8, והזרם מיוצב ל-350 מילי אמפר על ידי הבקר UCC28810 (U2). הבקר מבטיח פעולה במצב מעבר על ידי כך שהוא ממתין עד אשר כל האנרגיה מתרוקנת מהמשרן שבצימוד, לפני שיתחיל מחזור מיתוג חדש. חישת האנרגיה שבמשרן מתבצעת על ידי ניטור המתח בליפוף העזר שעל פין אבחון זרם אפס (ZCD). ליפוף עזר זה משמש גם כדי לספק הספק ממתח למעגל המשולב (IC).
מתוך תכונותיהם, ממירי תיקון גורם ההספק מעבירים הספק מכניסה ליציאה בתדירות שהיא פי שניים מתדירות הקו ב– 50 הרץ או 60 הרץ. פעולה זו יוצרת מתח עם אדוות (ripple) של 100 הרץ או 120 הרץ בקבל היציאה (C5). אם נחלק את מתח האדוות הזה בהתנגדות הטורית של מחרוזת נוריות LED, נקבל את הגודל של האדוות בתדירות של 100 הרץ /120 הרץ בנוירות ה–LED. בדרך כלל, התוצאה חייבת להיות פחות מ–20 אחוזים של הזרם הממוצע של נוריות LED. בנוסף קיימים זרמי RMS משמעותיים בקבל היציאה, בתדירות של 100 הרץ /120 הרץ וגם בתדירות המיתוג. עם זאת, בחירת הקבל בהתבסס על הגבלת זרם האדוות בנוריות LED תביא בדרך כלל קבל בעל ערכים מתאימים. איור 5 מראה את זרם היציאה של נוריות LED עבור דוגמה זו.
בקרי תיקון גורם הספק מתוכננים לייצוב של מתח יציאה גבוה, ולכן בדרך כלל יש להם מתח ייחוס גבוה באופן יחסי על פין המשוב. במעגל זה מתח הייחוס הוא 2.5 וולט. על מנת להקטין את ההפסדים בנגד חישת הזרם של נוריות LED, נוסף היסט לפין המשוב באמצעות המעגל TLV431A שנראה באיור 4. היסט זה מגדיל את הנצילות ב–0.5 אחוז על ידי הקטנת ההפסדים בנגד החישה ב- 0.44 ואט. איור 6 מראה את הנצילות הנובעת מכך, ואת גורם ההספק עבור תכנון זה.
על ידי כך שמשתמשים בדרגת הספק יחידה, מקבלים בקלות נצילות של יותר מ-90 אחוזים בתכנון כזה ל-100 ואט. גורם ההספק הוא יותר מ-0.96, יותר מהערך שמתאים לרוב היישומים. עם מעט מאוד רכיבים, ויסות מתח מדויק, גורם הספק גבוה ונצילות גבוהה, אפשר לקחת בחשבון את מעגל SEPIC עם תיקון גורם ההספק, כאשר מתכננים את היישומים הבאים לתאורת רחוב עם נורות LED.
