Wojciech GRZESIAK1, Adam BIEC
KOWSKI1, Janusz CHAMIOA
O2
Instytut Technologii Elektronowej Oddział w Krakowie (1), Pulsar sp.j. (2)
Wysokosprawne układy do zasilania SSL LED dla potrzeb
autonomicznych instalacji PV
Streszczenie. Artykuł prezentuje praktyczne rozwiązania wysokosprawnych układów zasilania SSL (Solid State Lighting ) LED dużej mocy (prądy
350-700mA) z autonomicznych instalacji fotowoltaicznych wyposażonych w akumulatory 24V. Prezentowane układy zostały zaprojektowane,
wykonane oraz przetestowane przez autorów i charakteryzują się sprawnościami rzędu 95%. Istotą tych rozwiązań jest zastosowanie nowoczesnych
elementów elektronicznych, zaaplikowanych w sposób pozwalający na najbardziej efektywną zamianę napięcia z akumulatorów na prąd potrzebny
do zasilania diod LED oraz zapewniający im odpowiednio długi czas życia.
Abstract. The paper deals with the practical solutions of high-efficient power supplies for high power SSL LED (current of 350-700mA) powered
from photovoltaic devices equipped with 24 V batteries. These highly efficient solutions (up to 95%) were designed, made and tested by authors.
The idea of these solutions is using modern electronic components to achieve the most efficient way of converting energy stored in a battery to
current that was usable for feeding LED and providing them a long life (High-efficient power supplies for high power SSL LED powered from
photovoltaic devices).
Słowa kluczowe: Dioda LED, SSL LED, zasilacz SSL LED, stabilizator prądu, układ scalony, dioda Shottky ego, tranzystor MOSFET
Keywords: LED diode, SSL LED, power supply for SSL LED, current stabilizer, integrated circuit, Schottky diode, MOSFET Transistor.
Wstęp
SSL LED dużej mocy z powodzeniem zastępują
tradycyjne z
ródła światła. Stanowią doskonałą alternatywę
nie tylko dla powoli wycofywanych z użycia żarówek, ale
również mogą zastąpić i na pewno w przyszłości zastąpią
lampy fluorescencyjne i wyładowcze. Zaletami SSL LED w
stosunku do pozostałych z
ródeł światła są przede
wszystkim:
- wysoka skuteczność świetlna, dochodząca we
Rys. 1. Najprostszy układ zasilania SSL LED z rezystorem
współczesnych diodach do 100-120 lm/W.
szeregowym
- nie zawierają szkodliwej rtęci.
- dobry współczynnik oddawania barw, szeroki zakres
Zostaną tam przedstawione układy zasilania
temperatur barwowych światła.
dedykowane zwłaszcza dla 6 szt. SSL LED połączonych
- w odróżnieniu od świetlówek działają bardzo dobrze w
szeregowo i zasilanych z akumulatora 24 V.
ujemnych temperaturach.
24V to jedno z typowych napięć instalacji
- liczba załączeń/wyłączeń nie ma wpływu na żywotność
fotowoltaicznych, dla których liczba sześciu diod jest
LED
szczególnie stosowna.
Wadami są wciąż jeszcze wysoka, ale cały czas
Jest to optymalne rozwiązanie pod względem
malejąca cena i konieczność zapewnienia skutecznego
efektywności przetwornicy. Napięcie 6 szeregowo
odprowadzenia ciepła. Mimo tych wad, diody LED mają
połączonych LED jest tylko kilka woltów niższe od napięcia
coraz większy udział w rynku oświetleniowym kosztem
24V i dzięki temu przy niewielkich stratach można zasilać
innych z
ródeł światła. Przyszłość techniki oświetleniowej
diody LED przy użyciu przetwornicy obniżającej napięcie
należy niewątpliwie do SSL LED.
(step-down).
SSL LED ze względu na niewielkie napięcia zasilania
W przedstawionych rozwiązaniach wykorzystywane są
szczególnie nadają się do oświetleń bateryjnych i
nowoczesne układy scalone które przy współpracy z
akumulatorowych, zasilanych z instalacji fotowoltaicznych.
zewnętrznymi diodami Schottky ego o niskich napięciach
Wszystkie typy SSL LED wymagają zasilania stałym
przewodzenia (0,3-0,6 V) i nowoczesnymi tranzystorami
prądem, nigdy stałym napięciem. Wynika to z
MOSFET o niskich rezystancjach kanału zapewniają dużą
charakterystyki diody LED, zbliżonej do charakterystyki
sprawność przetwarzania napięcia z akumulatorów na prąd
diody Zenera. Najprostszym sposobem zasilania SSL LED
potrzebny do zasilania diod LED.
prądem jest wykorzystanie rezystora włączonego w szereg
z diodą lub łańcuchem SSL LED, połączonych szeregowo.
Rozwiązania praktyczne
(rys. 1). Przy zapewnieniu zasilania napięciem o stałej
Układ scalony L6902 [2] jest przetwornicą typu step-
wartości rezystor ten pozwala na sterowanie diod LED
down wymagającą niewielu elementów zewnętrznych. W
odpowiednim prądem.
niewielkiej obudowie SO8 posiada wbudowaną większość
Rozwiązanie to ma szereg wad:
elementów potrzebnych do zbudowania przetwornicy LED,
- straty napięcia na rezystorze  od 1 do kilku V
łącznie z kluczem wykonanym z użyciem tranzystora
- prąd będzie zmieniał się w funkcji temperatury złącza
MOSFET. Układ stabilizuje wewnętrznie prąd wyjściowy, co
- układ wymaga dobierania rezystora w zależności od
powoduje, że nie ma potrzeby stosowania jakichkolwiek
typu LED i jej napięcia przewodzenia. Typowy zakres
zewnętrznych układów stabilizujących prąd diody LED.
napięcia przewodzenia diody LED mieści się w granicach
Ustalanie prądu odbywa się poprzez dobór rezystora Rsense.
3,0- 3,7V
Maksymalny prąd przetwornicy wynosi 1A. Wymagany
Z tego też powodu najlepszym sposobem zasilania diod
spadek napięcia na rezystorze Rsense, tylko 100mV,
są z
ródła prądowe o odpowiedniej wydajności prądowej,
powoduje zwiększenie efektywności przetwornicy.
omówione w dalszej części artykułu.
W układzie można osiągnąć sprawność do 95%.
184 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11a/2010
Czas życia (life time) SSL LED dużej mocy może W zależności od częstotliwości sygnału, możemy
osiągnąć wartości nawet 50 000 h. Zasilacz również ograniczać jasność LED do kilku % pełnej jasności
powinien mieć porównywalną żywotność i czas znamionowej.
bezawaryjnej pracy. Elementami ograniczającymi ten czas Kondensatory Cin i Cout są kondensatorami o niewielkich
są kondensatory elektrolityczne niskoimpedancyjne (low pojemnościach (2,2-4,7uF). W przypadku układu ZXLD1362
esr) stosowane zwykle na wejściu i wyjściu układu. W producent dopuszcza możliwość pracy układu bez
przypadku układu L6902 można zastosować nowoczesne kondensatora wyjściowego (Cout), co oczywiście znacznie
kondensatory ceramiczne o pojemnościach rzędu 4,7-10uF zwiększy tętnienia na wyjściu układu, zachowując średnią
w niewielkich obudowach SMD (1206 lub 1210), o dużej wartość prądu LED na poziomie ustalonym przez rezystor
żywotności. Trzeba liczyć się ze zwiększonymi tętnieniami Rs.
napięcia na wyjściu układu, co w przypadku zasilania LED Ze względu na gabaryty układu i możliwość
i wysokiej częstotliwości kluczowania (ok. 250 kHz) nie ma zastosowania wszystkich elementów do montażu
znaczenia. Układ ten został wykonany i przetestowany powierzchniowego (SMD), cała przetwornica może być
przez autorów. Zostały wykonane serie prototypowe 350 umieszczona na obwodzie drukowanym na podłożu
mA oraz 700mA. Ich sprawność była największa dla aluminiowym (MCPCB) i stanowić gotowy moduł do
przypadku zasilania 6 szt. SSL LED połączonych mocowania na radiatorze. Idealnie nadaje się ona również
szeregowo i wynosiła w zależności od napięcia akumulatora do realizacji w technologii grubowarstwowej.
93-95%.W przypadku prądów wyjściowych większych od
0,5A sugeruje się zastosowanie niewielkiego radiatora
umożliwiającego odprowadzanie ciepła z układu L6902,
realizacji tych zasilaczy w technologii grubowarstwowej lub
MC-PCB (metal core printed circuit board).
Rys. 2. Schemat zasilacza SSL LED zbudowanego w oparciu o
układ scalony L6902
Rys. 4. Schemat zasilacza SSL LED zbudowanego w oparciu o
układ scalony ZXLD1362
Rys.3. Sprawności układu L6902 przy różnych ilościach diod LED i
różnych prądach dla UCC=24V
Rys.5. Sprawności układu ZXLD1362 przy różnych ilościach diod
LED i różnych prądach dla UCC=24V
W ostatnich latach ze względu na znaczny rozwój
techniki LED powstało szereg wysokosprawnych układów
dedykowanych specjalnie do zasilania diod LED dużej
mocy.
Układy ZXLD1362 [1] i MBI6651 [4] są przykładami
takich rozwiązań. Ze względu na aplikacje są to bardzo
podobne układy o zbliżonych parametrach elektrycznych.
W odróżnieniu od innych typowych przetwornic układy
te mają wbudowany klucz zbudowany w oparciu o
tranzystor MOSFET z kanałem typu n. Tranzystory
MOSFET z kanałem typu n charakteryzują się kilkukrotnie
mniejszą rezystancją kanału w stanie załączonym od
analogicznych tranzystorów z kanałem p, więc straty
Rys. 6. Schemat zasilacza SSL LED zbudowanego w oparciu
przewodzenia są pomijalnie małe. Fakt ten pozwolił na
układ scalony MBI6651
zastosowanie miniaturowej 5-końcówkowej obudowy
SOT23-5 przy dosyć dużych mocach przełączania (nawet
kilkanaście watów). Czujnik prądowy (rezystory Rs w
ZXLD1362 i Rsen w MBI6651) wymaga tylko 100 mV spadku
napięcia. Przy zasilaniu 6 diod LED połączonych
szeregowo układy osiągają sprawność w zakresie 96-97%.
Obecnie są to jedne z najsprawniejszych układów do
zasilania LED dostępnych na rynku.
Prąd w układach można regulować na 2 sposoby: przez
Rys.7. Sprawności układu MBI6651 przy różnych ilościach diod
dobór rezystorów czujnika prądowego lub przez doprowa-
LED i różnych prądach dla UCC=24V
dzenie do wejść odpowiednio Adj lub DIM sygnału PWM.
PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11a/2010 185
Układ scalony LM3485 [3] jest przetwornicą, w której dla
odróżnienia od poprzednio przedstawionych rozwiązań -
element kluczujący tj. tranzystor MOSFET typu p jest
elementem zewnętrznym. Pozwala to na uzyskiwanie
większych mocy wyjściowych, gdyż elementy które
wydzielają najwięcej ciepła (tranzystor Q i dioda D) mogą
być wyposażone w radiatory. Tranzystor Q powinien być tak
dobrany, aby miał jak najmniejszą rezystancję kanału
(niskie straty w stanie przewodzenia) i jednocześnie jak
najmniejszą pojemność wejściową obwodu bramki (niskie
straty w czasie przełączania.) Parametry te niestety
wykluczają się wzajemnie  zmniejszenie rezystancji kanału
powoduje zwiększenie pojemności obwodu bramki i
Rys. 9. Schemat zasilacza SSL LED zbudowanego w oparciu o
odwrotnie, więc należy pójść na kompromis i wybrać
układ scalony LM3150
optymalne rozwiązanie.
Układ może pracować przy 100% wypełnieniu przebiegu
Podsumowanie
sterującego tranzystor Q. Pozwala to na pracę przy
minimalnej różnicy pomiędzy napięciem wejściowym
Przedstawione rozwiązania zasilaczy SSL LED
a wyjściowym. Spadek napięcia w tym przypadku zależy od
przeznaczone do zastosowania w 24- woltowych
sumy rezystancji : tranzystora, dławika i rezystora Rsen.
instalacjach fotowoltaicznych wydają się być optymalnymi i
Ze względu na konieczność sterowania diod LED
efektywnymi sposobami przetwarzania napięcia
wyłącznie prądem - dodany jest do układu rezystor czujnika
akumulatorów na stabilizowany prąd odpowiedni do
prądu Rsen. Odkłada się na nim napięcie proporcjonalne do
zasilania SSL LED dużej mocy. Niewielkie gabaryty , mała
prądu LED. Napięcie z tego rezystora mogłoby być
liczba elementów zewnętrznych i wysoka sprawność tych
doprowadzone bezpośrednio do wejścia sprzężenia
zasilaczy oraz współczesnych SSL LED dużej mocy
zwrotnego FB. Układ taki często stosowany jest w praktyce.
stanowi ciekawą propozycję dla nowoczesnej i co
Jednak na rezystorze musiałby wystąpić spadek napięcia
najważniejsze proekologicznej techniki oświetleniowej.
rzędu 1,42 V (napięcie sprzężenia zwrotnego) co znacznie
Więcej informacji na temat prac autorów związanych z tą
zmniejszyłoby ogólną sprawność układu.
tematyką można znalez
ć w pozycjach [5-9]
Aby tego uniknąć został zastosowany wzmacniacz
operacyjny którego wzmocnienie jest tak dobrane, aby
LITERATURA
spadek napięcia na rezystorze Rsen był w granicach 100
[1] Witryna internetowa: www.diodes.com
mV.
[2] Witryna internetowa: www.st.com
[3] Witryna internetowa: www.national.com
[4] Witryna internetowa: www.macroblock.com
[5] W. Grzesiak, M. Cież, J. Poczatek, W. Zaraska ;  Current
Sources with Improved Reliability for Hyperbright LEDs Supply
Realized in Thick  Film Technology , XXVIII International
Conference of IMAPS Poland Chapter Wroclaw, 26-29
September 2004
[6] W. Grzesiak, M. Cież ,T. Maj, K. Wietrzny:  Advanced Current
Sources Based on One-Chip Microcomputers , Proc. of the
28th Int. Conference and Exhibition IMAPS - Poland 2004,
Wrocław, Poland, 26-29.09.2004, p. 241-244
Rys. 8. Schemat zasilacza SSL LED zbudowanego w oparciu o
[7] Grzesiak W., Cież M., Zaraska W., Chojnacki J., Teneta J.,
układ scalony LM3485
Słaboń A., Wietrzny K.,  High Power LEDs in Photovoltaic
Autonomous Systems , 20th European Photovoltaic Solar
Układ scalony LM3150 [3] z założenia przeznaczony Energy Conference and Exhibition, Barcelona, Spain, 6-
10.06.2005, pp.2193-2195
jest realizacji zasilaczy o prądach wyjściowych nawet do
[8] W. Grzesiak, M. Cież, T. Maj, K. Witek, W. Zaraska:   Advanced
12A. Spełnia tylko rolę sterownika, pozbyto się natomiast
Current Sources for Supply of High Brightness LED Lamp XxiX
elementów przełączających duże prądy tj. tranzystorów M1
International Conference of IMAPS Poland Chapter  Koszalin-
i M2, które są osobnymi elementami dołączonymi do
Darłówko, 19-21 September 2005 
układu. Dla zminimalizowania strat związanych z
[9] Grzesiak W., Cież M., Początek J., Maj T.,  Zastosowanie diod
przepływem prądu przez diodę Schottky ego po wyłączeniu
LED o wysokiej luminancji w systemach oświetleniowych
klucza M2, w miejsce tradycyjnej diody zastosowano
i sygnalizacyjnych zasilanych z autonomicznych instalacji
prostownik synchroniczny  tranzystor M1 (N-MOSFET). W fotowoltaicznych ., VI Krajowa Konferencja Elektroniki,
Darłówko Wschodnie, 11-13 06.2007, pp.435-440
chwili wyłączenia tranzystora przepływa prąd przez diodę
związaną ze strukturą typu MOSFET i jednocześnie
załączany jest tranzystor M1. Pozwala to zminimalizować
straty napięcia z ok. 0,5  0.7V przy tradycyjnej diodzie typu
Autorzy: dr inż. Wojciech Grzesiak, Instytut Technologii
Schottky do kilkunastu mV. Straty te związane są z
Elektronowej, Oddział w Krakowie, ul.Zabłocie 39, 30-701 Kraków,
rezystancją kanału tranzystora.
E-mail: [e-mail]
Układ regulatora prądu mógłby być w tym przypadku
mgr inż. Adam Bieńkowski, Instytut Technologii Elektronowej,
wykonany w najprostszy sposób poprzez doprowadzenie
Oddział w Krakowie, ul.Zabłocie 39, 30-701 Kraków,
napięcia z rezystora Rsen prosto do wejścia  Feedback
mgr inż. Janusz Chamioło, Pulsar sp.j., Siedlec 150, 32-744
(wymagane tylko 0,6V), ale i w tym przypadku został
A
apczyca
wykorzystany wzmacniacz operacyjny w układzie opisanym
w punkcie 3.
186 PRZEGL
D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 11a/2010