Представлены три варианта сетевых источников питания с микромощностью и без трансформатора, предназначенных для получения выходного тока в диапазоне нескольких десятков миллиампер, основанные на использовании микросхемы РТ4515. Данная микросхема широко применяется в производстве светодиодных ламп.
Для управления различными силовыми коммутирующими элементами — симисторами, тринисторами, полевыми транзисторами и прочими — использующимися для регулировки мощной сетевой нагрузки, например, электронагревателей или сложной радиоэлектронной техники, применяют компактные узлы на транзисторах и микросхемах. Причем в таких узлах нередко используют микроконтроллеры.
Нередко источники питания для этих узлов реализуют без трансформатора, используя в качестве элементов балансный конденсатор или резистор.
Когда потребляемый ток не превышает 5 мА, хорошим решением становится источник, основанный на резисторе для балластирования. Именно такой ток обычно достаточен для питания микросхем и оптопар, например, типа MOC3063.
Если сравнивать ИП с резистором и с конденсатором, то главный минус последнего — более значительное рассеивание мощности, порядка одного ватта, на резисторе.
Тем не менее, достоинство резисторного варианта — примерно одинаковый с номинальным выходным током начальный пусковой ток, в отличие от ИП с конденсатором, где ток запуска может превышать его в несколько раз, что требует установки дополнительных ограничивающих резисторов и увеличения стабильности элементов.
Кроме того, конденсатор нуждается в запасе по емкости, поскольку его пробой может привести к нежелательным последствиям. В этом аспекте резистор является более надежным элементом.
Параметры ИП с резистором для балансировки можно значительно улучшить, добавив к ним микросхему РТ4515 — стабилизатор тока высокого напряжения.
На сегодняшний день эта микросхема активно используется в небольших светодиодных лампах по своему прямому назначению — как стабилизатор тока. В частности, в лампе торговой марки Gauss мощностью 10 Вт.
Практически все компоненты этой лампы размещены на алюминиевой теплоотводящей плате, а в цоколе размещен только защитный резистор.
Схема лампы
Схема данной лампы изображена на рис. 1. Ее конструкция очень проста: диодный мост BD1 преобразует входное напряжение, а конденсатор С1 сглаживает пульсации.
Рис. 1. Схема светодиодной лампы на базе PT4515E89C.
Защитный резистор R служит для ограничения тока заряда конденсатора и одновременно выступает предохранителем. Микросхема DA1 реализует стабилизатор тока, а светодиоды подключены последовательно с ней.
Количество светодиодов зависит от их характеристик. В данном случае их семь, так как номинальное напряжение каждого около 35 В. В результате, большинство падения напряжения (примерно 250 В) приходится на светодиоды, а на микросхеме — 50-60 В, что вызывает заметный нагрев и требует теплоотводной пластины.
Ток стабилизации задается резистором R1 по формуле lout = 0,6 / R1.
Использование стабилизатора тока обеспечивает постоянный протекающий ток через светодиоды, исключает его броски и пульсации. Однако это актуально только при наличии конденсатора С1, поскольку в некоторых недорогих моделях таких ламп его отсутствует, и пульсации, а следовательно, световой поток, существенно увеличиваются.
Дополнительно стоит отметить, что правильное охлаждение лампы и её компонентов значительно влияет на долговечность и стабильность работы. При длительной работе светодиодов рекомендуется использовать теплоотводы и установить лампу в хорошо проветриваемом месте.
Также важно учитывать, что при проектировании подобной схемы необходимо соблюдать допустимые параметры компонентов и использовать комплектующие с запасом по напряжению и току, чтобы обеспечить надежность и безопасность эксплуатации.
Структурная схема PT4515
Рис. 2. Структурная схема микросхемы PT4515.
Теперь рассмотрим строение самой микросхемы PT4515, изображенную на рис. 2. В ее составе присутствует высоковольтный полевой транзистор VT1, усилитель постоянного тока DA1, узел питания (стабилизатор напряжения) А1, а также узел защиты от перегрева и перенапряжений в режиме стабилизации тока — А2.
Блок питания А1 формирует необходимое для работы остальные элементов напряжение, а также обеспечивает тренировочное напряжение для усилителя DA1, который сравнивает его с напряжением на внешнем резисторе REXT, к которому подключается внешний токозадающий резистор.
В зависимости от уровня напряжения на REXT, операционный усилитель либо открывает, либо закрывает полевой транзистор, поддерживая стабильный ток стока.
Микросхема выпускается в корпусах Т0252, SOT89, СРС4 и ESOP8 — выбор корпуса влияет на тепловые характеристики и максимальную рассеиваемую мощность (при отсутствии теплоотвода).
Обозначения в документации: РТ4515 [1] и РТ4515С [2], различающиеся по параметрам и корпусам.
Измеренное напряжение на выводе REXT позволяет предположить, что в микропитании небольших светодиодных ламп применяли именно микросхему РТ4515С.
При выходе из строя одного или нескольких светодиодов — что достаточно часто случается — ремонтировать подобные устройства экономически нецелесообразно, а неисправные лампы можно использовать для сборки небольшого по размерам, но достаточно мощного сетевого источника питания.
Для этого потребуется диодный мост, оксидный конденсатор и сама микросхема. Проще всего — извлечь плату из цоколя, нагреть ее с нижней стороны (паяльником или феном), расплавить припой и аккуратно снять все компоненты. Исправные светодиоды можно использовать для ремонта аналогичных устройств.
Дополнительная информация о применении PT4515
Микросхема PT4515 широко используется в светотехнических устройствах, таких как диммеры, регулируемые источники питания для светодиодных гирлянд и светильников, а также в системах автоматического управления освещением. Ее преимущества — высокая стабильность тока и простота управления, что делает ее популярным выбором среди разработчиков и мастеров-энтузиастов.
При работе с PT4515 важно учитывать параметры допустимого тока и режима охлаждения. При проектировании устройств рекомендуется использовать теплоотводы или корпуса с хорошим тепловым отведением, особенно при высокой мощности нагрузок. Также необходимо соблюдать полярность и правильное подключение всех элементов для предотвращения выхода из строя.
Для диагностики и тестирования микросхемы рекомендуется использовать мультиметр с функциями проверки диодов и тестера транзисторов, а также осциллограф для оценки стабильности тока и напряжения в цепях питания.
Основные технические параметры
- Максимальное выходное напряжение (Vout max), В. 450
- Минимальное выходное напряжение (Vout min), В. 6,5
- Потребляемый ток (ldd), мкА. 90–250
- Диапазон установки выходного тока (lout), мА. 5–60
- Номинальное напряжение на входе/выходе REXT (Vrexl), мВ. 582–618
Первый вариант блока питания
Рассмотрим схему первого варианта ИП, изображенную на рис. 3. В ней входное напряжение сети выпрямляется диодным мостом VD1, а конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного сигнала.
Для уменьшения мощности, рассеиваемой микросхемой стабилизатора тока, к ней последовательно подключены резисторы R1 и R2.
Общее сопротивление R, в омах, рассчитывается по формуле R = (Uсеть — UDA1 — Uвыx)/Iн, где Uсеть — напряжение сети, UDA1 — падение напряжения на микросхеме (около 50–60 В), Uвыx — выходное напряжение, Iн — ток нагрузки, А.
Рисунок 3. Простая схема блока питания на базе PT4515E89C.
Конденсатор С1 подключается через резистор R1 к мосту, что ограничивает ток его заряда и исключает пиковый скачок при включении устройства. Постоянное токовое распределение обеспечивается стабилитроном VD2, задающим выходное напряжение, и нагрузкой.
Ток нагрузки в таких схемах не превышает 4 мА, поскольку минимально необходимое для работы стабилитрона значение — 1 мА. Важные достоинства этого решения — отсутствие существенных пиков тока при зарядке конденсатора и меньший разогрев элементов.
Если возникнет пробой конденсатора, увеличится ток, поступающий от сети, что приведет к нагреву резистора R1, поэтому рекомендуется ставить резистор с запасом по мощности.
Пробой полевого транзистора внутри микросхемы приведет к ухудшению стабилизации выходного напряжения и росту пульсаций, но опасности поражения током при контакте с выводами минимизации не происходит благодаря резистору (обычно 20 кОм), соединяющему выводы с сетью.
Изготовленная печатная плата для этой схемы выполнена из стеклотекстолита толщиной около 1,5–2 мм, с односторонней фольгой.
На плате установлены шесть резисторов R1 и R2 сопротивлением по 30 кОм каждого, выполненные из поверхностного монтажа типа 1206, соединенные последовательно-параллельным образом. Конденсатор С1 — оксидный; конденсатор С2 — керамический или пленочный, полярный, емкостью до сотен микрофарад.
Схема с общим сетевым проводом
Некоторые ситуации требуют, чтобы один из выходов ИП был напрямую соединен с одним из сетевых проводов. Тогда подойдет второй вариант схемы — с однополупериодным выпрямителем, изображенный на рис. 6. В этой конструкции применены три последовательно включенных резистора R1–R3, что обеспечивает работу аналогичным образом.
Рис. 6. Схема блока питания с однополупериодным выпрямителем.
Печатная плата для такого устройства показана на рис. 7. Она изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5–2 мм и использует выводные компоненты.
Оксидный конденсатор среди элементов — импортного производства, с большими номиналами до нескольких сотен микрофарад, можно использовать любой, главное — соблюдать полярность и подключать его правильно.
Резисторы типа С2-23, МЛТ и стабилитрон — любой маломощный выводной вариант. Вблизи микросхемы на плате необходимо прикрепить теплоотвод площадью примерно 2–3 см?, изготавливаемый из медной ленты толщиной не менее 0,5 мм.
Рис. 7. Печатная плата.
Общий вид собранного блока питания показан на рис. 8. Процесс настройки выполняют согласно описанной ранее последовательности.
Рис. 8. Виден окончательный вариант платы блока питания.
Если нагрузка превышает 5 мА, для снижения нагрева и повысить стабильность работы ИП рекомендуется использовать конденсатор в качестве балластного элемента. При этом потребуется согласовать ток, задаваемый стабилизирующей микросхемой, и параметры выбранного конденсатора.
Дело в том, что в схемах с балластным резистором подобрать подходящее сопротивление значительно проще, так как резисторы доступны и выпускаются в широком диапазоне номиналов.
Выбор высоковольтных конденсаторов ограничен их номиналами, и параллельное соединение не всегда оправдано. Поэтому первоначально выбирается конденсатор необходимой емкости, а затем — ток стабилизации микросхемы РТ4515, для чего резистор для задания тока должен быть регулируемым.
Для определения емкости балластного конденсатора (в микрофарадах) используют следующую формулу:
где Uc — напряжение сети, В; Uda1 — напряжение на микросхеме, В; Uвых — выходное напряжение ИП, В; Ін — максимальный ток нагрузки, А.
Например, при Uda1 = 50 В, Uвых = 10 В, максимальном токе нагрузки 30 мА расчетная емкость составляет С ? 0,432 мкФ. В большинстве случаев выбирают ближайший стандартный номинал, то есть — 0,47 мкФ. Токозадающий резистор подбирается по формуле: R = 0,6/Ін, что для данного примера равно R ? 20 Ом.
Схема блока питания на PT4515 с балластным конденсатором
При определении нагрузки необходимо учитывать ограничение мощности, рассеиваемой микросхемой, которая не должна превышать 1,5 Вт при хорошем теплоотводе.
Рис. 9. Схема сетевого блока питания с балластным конденсатором, выполненная на базе ПТ4515.
Готовая схема блока питания с конденсатором-балластом выглядит так же, как на рис. 9. Основная часть напряжения сети падает на конденсатор С1.
Резисторы R3 и R4 служат для ограничения пускового тока при зарядке конденсатора, а R1 и R2 обеспечивают его разрядку после отключения питания.
В остальных элементах используются те же компоненты, что и в предыдущих версиях. Преимуществом данного варианта является повышенная надежность, поскольку при пробое конденсатора С1 «удар» поглощает микросхема DA1, и при этом есть надежда на её защиту от перегрева.
При этом стоит отметить, что конденсатор С1 работает в более щадящем режиме, чем в схеме без микросхемы, так как напряжение на нём значительно ниже. Для этого блока питания подготовлен чертеж печатной платы, показанный на рис. 10.
Используются постоянные резисторы для монтажа на поверхность (типоразмер 1206), регулируемый резистор — СПЗ-19. Конденсаторы C1 должны быть рассчитаны на работу при переменном напряжении не менее 230 В, C2 — оксидный с номиналом не менее 400 В, а C3 — плёночный или оксидный.
Рис. 10. Чертёж печатной платы блока питания.
Рис. 11. Виден внешний вид печатной платы.
Рис. 12. Общий вид сверху.
Микросхема укомплектована теплоотводом, выполненным из медной полосы толщиной 1 мм, шириной 10–14 мм и длиной 20–25 мм. Такой теплоотвод припаивается к металлизированной области рядом с микросхемой (см. рис. 11), а затем загибается на краю платы возле конденсатора С1 (см. рис. 12).
Настройка устройства сводится к установке напряжения на микросхеме с помощью резистора R5, который задаёт необходимое постоянное значение. Следует отметить, что функциональным аналогом микросхемы РТ4515 является устройство SM2082, однако экспериментальные тесты с ним не проводились.
Автор: И. Нечаев, г. Москва. Р-05-19.
Советы по сборке и настройке блоков питания на базе PT4515
Перед началом монтажных работ стоит уделить особое внимание подбору компонентов. Используйте электролитические конденсаторы с низким ESR и рекомендуемым номиналом напряжения не менее 25% от рабочей величины. Это обеспечит стабильную работу и долговечность цепи, особенно в условиях пульсирующего тока.
При пайке обязательно избегайте перегрева элементов. Используйте паяльник с мощностью 30-40 Вт и регулируйте температуру до 350°C, чтобы избежать повреждений чипа и дорожек на плате. Прежде чем начать, проверьте схему на наличие коротких замыканий и правильность расположения компонентов.
Настройка регулировочного резистора должна проводиться поэтапно. После включения цепи увеличивайте напряжение с минимальных значений, контролируя параметры с помощью мультиметра. В случае появления чрезмерного нагрева или нестабильной работы снизьте токовые настройки или измените значения внешних элементов.
Для исключения холостых режимов подключайте нагрузку, соответствующую рабочему диапазону устройства. Это обеспечит более точную регулировку выходных характеристик и повысит эффективность энергопередачи.
После сборки выполните тестирование без нагрузки, постепенно увеличивая входное напряжение и следя за параметрами на выходе. Если появляется шум или нестабильность, проверьте качество пайки и положение компонентов. В случае необходимости внесите коррективы в сопротивления или емкости фильтра.
Именно аккуратность в монтаже и последовательное доведение настроек до допустимых значений позволяют добиться надежной работы буфера с низким уровнем помех и высоким КПД.
Обзор типов нагрузок и их совместимость с схемами на PT4515
Основные разновидности нагрузок, подключаемых к цепям с использованием PT4515, включают светодиодные модули различной мощности, дисплеи с подсветкой и небольшие электронные устройства с постоянным потреблением тока. Такой драйвер характеризуется способностью стабилизировать ток при нагрузках с активной реактивностью и высокой стабильностью выхода, что важно при работе с светильниками и дисплеями.
При подборе нагрузок важно учитывать их номинальный ток и сопротивление. Например, максимум допустимый ток для схемы обычно составляет 1,5 А, а сопротивление нагрузки должно быть выбрано исходя из расчетных параметров, чтобы обеспечить оптимальную работу без перегрева и быстрого износа элементов.
Типичный пример – светодиодные ленты с длиной до 5 метров, работающие при потреблении 0,5 А на метр. Такая нагрузка совместима при условии, что используемый источник питания и цепь обеспечивают необходимое напряжение и стабильный ток. Для более мощных светильников с нагрузкой свыше 1 А требуется дополнительное щитое управление, либо использование параллельных соединений с разделением на несколько каналов.
Для дисплеев с подсветкой характерна стабильность потребляемого тока, что соответствует параметрам драйвера. Важным аспектом является минимальный уровень пульсаций и отсутствие резких колебаний напряжения, что может обеспечить правильное отображение без искажения изображения или мерцания.
Невозможность использования нагрузок с высоким реактивным сопротивлением, таких как индуктивные или емкостные элементы без соответствующего балансировочного компонента, снижает стабильность работы цепи. Для компенсации реактивных компонентов рекомендуется применять фильтры и конденсаторы, обеспечивающие согласование сигналов и защиту цепи.
Рекомендуется избегать подключений нагрузок, превышающих допустимый ток или с сопротивлением, ниже расчетного уровня, что может привести к перегреву элементов или снижению срока службы. Точные параметры нагрузки нужно подбирать в соответствии с техническими данными выбранного драйвера, обеспечивая резерв по току не менее 20% для стабильной работы.
В случае использования нестандартных нагрузок, важно проверять их параметры в условиях испытаний и предварительно моделировать работу схемы, чтобы избежать перегрузок и обеспечить долговечность всей системы.
