ساختارهای مرسوم در LED درایورها

LED درایورها به طرق گوناگونی قابل دسته بندی هستند. یکی از این دسته بندی ها ساختمان سازنده آنهاست. در بررسی موارد استفاده و کاربرد LED ها مشاهده شد که کاربرد های مختلف LEDها باعث شده تا منابع تغذیه آنها در انواع کاربردها دارای انواع ولتاژهای ورودی می باشند. این ولتاژ ها صرف نظر از دامنه به دو دسته مستقیم و متناوب تقسیم می شوند. استفاده از یکسوسازها در مرحله ابتدایی ورودی درایور باعث می شود تا در تمامی موارد بتوان مراحل بعدی را به صورت کلی مبدلی DC به DC دید. سه دسته بندی کلی برای ساختارهای LED درایور می توان در نظر گرفت که عبارتند از : ساختار تک مرحله ای ، ساختار دو مرحله ای و ساختار مجتمع . در این بخش این ساختار ها مورد بررسی قرار می گیرند.

1 ساختار تک مرحله ای

ساختار های تک مرحله ای بعد از یکسوساز از یک مبدل DC به DC تشکیل می شوند . این مبدل DC به DC دارای خروجی جریان ثابت می باشد که می تواند ذاتا دارای ضریب توان قابل قبولی باشد. این ساختار عمدتا در درایور های با توان کم و متوسط استفاده می شوند. در ساختار DC به DC هر دو نوع مبدل ایزوله و غیر ایزوله می توانند به کار روند . ساختار تک مرحله ای در توان های پایین عملکرد بهتری را ارائه می دهد و در توان های بالاتر نیاز به تصحیح ضریب توان بهتر و نیز راندمان بالاتری است. همچنین در ساختار تک مرحله ای نیاز به خازن های با حجم بالا است که موجب می شود اندازه فیزیکی سیستم بزرگتر شود و از معایب این سیستم به شمار می آید . اما هزینه­ ی تمام شده پایین تر در کنار عملکرد قابل قبول ، ساختار تک مرحله ای را برای توان های پایین در اولویت طراحی قرار می دهد.

ساختار های مختلف LED درایورها

نمونه ای از مدار تک مرحله ای

2 ساختار دو مرحله ای

ساختار های دو مرحله ای دارای ساختار مجزایی جهت اصلاح ضریب توان (PFC) می باشند . در قسمت های بعد به مبحث ضریب توان پرداخته خواهد شد. افزوده شدن طبقه ی دوم در این ساختار طبیعتا موجب افزایش تعداد ادوات در ساختار مدار و افزایش هزینه تمام شده می­ شود ساختار های دو مرحله­ ای در زمان­هایی که راندمان و قابلیت اطمینان مدار اهمیت بیشتری نسبت به قیمت تمام شده دارد انتخاب مناسبی است. LED ها نیز همانند منابع نوری دیگر جهت تولید و استفاده در سطح وسیع ، بایستی استاندارد هایی از قبیل ضریب توان (PF) ، اعوجاج هارمونیکی کل (THD) و راندمان را در مقادیر قابل قبول پاس کند. دسترسی به این استانداردها با ساختارهای دو مرحله ای راحت تر می­باشد. اضافه شدن ساختار PFC در کنار بهبود پارامتر­های توان ، شرایط را جهت دیمینگ بهتر محیا می سازد . همچنین مزیت دیگر برای این ساختار کوچک شدن اندازه خازن ذخیره ساز به میزان 52 درصد بیان شده است . همانطور که بیان شد بعد از افزودن طبقه PFC انتظار می­رود راندمان کلی بهتری ملاحظه شود . اما از طرف دیگر افزایش تعداد المان ها و سوئیچ­ ها مشاهده می شود که امکان دارد موجب کاهش راندمان مدار شوند. جهت بهبود راندمان تکنیک های جدیدی همانند کنترل حالت شبه تشدید مطرح شده است که در آن کلیدزنی نرم اتفاق می­ افتد.

مدار دو مرحله ای

مرحله اول جهت تصحیح PFC و دوم به منظور پردازش ریپل جریان در روی LED ها به کار گرفته شده­ است. این عمل در کمتر کردن تبدیل سطح انرژی باعث می­ شود تا ظرفیت خازنی مورد نیاز کاهش یابد.

3 ساختار مجتمع

پیدایش ساختار مجتمع در طراحی LED درایور ها به منظور فراهم آوردن قابلیت های بالا در کنار هزینه کمتر بوده است. در ساختار های مجتمع به منظور دسترسی به بیشینه مقدار ضریب توان و کمترین اعوجاج هارمونیکی، کنترل بخش های PFC و تبدیل توان با یک کلید انجام می­ شود. بنابراین هزینه و سایز سیستم پایین می­ آید و این در حالی است که راندمان ، قابلیت اطمینان و دینامیک خروجی بهتری حاصل خواهد شد.

در این ساختار که منبع ورودی ولتاژ سینوسی در نظر گرفته شده است، جهت کنترل کلید از یک مدار مجتمع با کد  NCP1014 استفاده شده است. کلید به صورت بازه های منظم و متوالی روشن می­ شود و در طی روشن شدن کلید سلف L1 شارژ می شود. در زمان های خاموشی کلید نیز جریان سلف از طریق دیود D1 به خازن C9 می رسد تا تغذیه LED ها در خروجی انجام شود. افت ولتاژ صورت گرفته بر روی مقاومت R10 نیز یک فیدبک برای IC تولید می­ کند. این فیدبک یک مقسم ولتاژ با نام های R11 و R14 را تغذیه می­ کند تا با ایجاد یک جریان کوچک ، LED فوتوکوپلر را روشن کند. در این هنگام پایه شماره 2 از IC خاموش می شود و در نتیجه کلید زنی قطع می شود.

همچنین در لحظات مدار باز خروجی، جهت جلوگیری از آسیب رسیدن به خازن C9 و سایر ادوات مدار دیود های زنر تعبیه شده جریان را به فوتو کوپر منتقل می کنند تا همانند شرایط گفته شده در قبل سیستم خاموش گردد. همچنین سیستم قابلیت کارکرد مطلوب در فرکانس های پایین نظیر 100 و 120 کیلو هرتز را خواهد داشت. علت این امر کوچک بودن انرژی ذخیره شده در خازن C9 می باشد.

ساختار PFC تک سوئیچه Boost-Buck

در ساختار مجتمع نیز مدارات رزونانسی سری موازی(LLC) کاربرد بالایی دارند . زیرا فراهم آوردن شرایط  ZVS و ZCS منجر به بازده بالا در این مدارات می شود. اما ایراد اساسی در این مدارات وجود دو کلید است که همچنان راندمان و هزینه سیستم را تحت تاثیر قرار خواهد داد. مدارات کلاس E به این منظور به عنوان راه حل ارائه شده است . این مدارات با دارا بودن یک کلید علاوه بر داشتن ساختار ساده تر نسبت به LLC ها ، شرایط کلیدزنی نرم را به خوبی فراهم می­ کنند . اما در کنار مزایای ذکر شده،  افزایش فشار ولتاژ بر روی کلید ها در این مبدل باعث محدود شدن کاربردهای آن به توان های پایین شده است. در مرجع  که بر اساس مبدل کلاس E طراحی شده، مقادیر قابل قبول برای راندمان (92 درصد) و ضریب توان ( 99 درصد) ارائه شده است.

سخن آخر