ÚVOD Podsvícení budíků pomocí LED je velmi praktické zapojení. Pokud je použita varianta s paralelním zapojením všech LE diod je třeba napájet celý obvod zdrojem konstantního napětí. Jas lze regulovat malou změnou tohoto napětí. Změna napětí od úplného jasu do úplné tmy je například 1V. Konstrukci regulátoru napětí s použitím lineárního stabilizátoru LM317 jsme si uvedli v minulosti. Toto řešení však s sebou nese jisté nevýhody. Hlavní nevýhoda je nízká účinnost, která se s rostoucím vstupním napětím ještě snižuje. S touto nevýhodou je spojen i značný ztrátový výkon při napájení většího počtu LED nebo zvýšeným vstupním napětí. Částečné řešení tohoto problému jsme si také uvedli, ale toto řešení jen rozdělilo ztrátový výkon na dvě součástky a stejně bylo třeba uchladit značný výkon. Dnešní moderní elektronika nabízí mnoho dalších možností s lepšími parametry. Druhá varianta regulátoru jasu používá spínaný stabilizátor napětí, který již dosahuje účinnosti až 80%. Nyní uvedu zapojení stabilizátoru napětí s podstatně větší účinností, která se nebude výrazně měnit s hodnotou vstupního napětí. Jedná se o spínaný zdroj, tzv. step down converter. Mnoho výrobců již vyrábí speciální integrované obvody, které v sobě sdružují budič, výkonový tranzistor a zpětnou vazbou řídí výstupní napětí a omezují výstupní proud. Například National Semiconductor vyrábí obvody LM2574, LM2594 a LM2597 pro spínané zdroje s výstupním proudem 0,5A dále LM2575, LM2595 a LM2598 pro maximální výstupní proud 1A a podobně pro vyšší proudy. Pro osvícení palubní desky motocyklu pomocí svítivých diod bude stačit regulátor s omezení výstupního proudu na 1A. Výhoda spínaného stabilizátoru oproti lineárnímu Lineární tří-svorkový stabilizátor omezuje výstupní proud tak, aby napětí na výstupu bylo vždy nastavené na požadovanou hodnotu. Vnitřní tranzistor ovládán vnitřními obvody v závislosti na výstupním napětí porovnávaným vnitřním komparátorem. Tento princip je velice jednoduchý a vhodný pro stabilizaci napětí blízkému vstupnímu napětí nebo pro malé proudy, aby výkonová ztráta na vnitřním tranzistoru byla co nejmenší. Účinnost tohoto stabilizátoru je závislá na rozdílu napětí na vstupu a výstupu a procházejícím proudu. V ideálním případě se účinnost spočítá podle vztahu 1.1(za předpokladu, že stabilizátor pro svou činnost nepotřebuje žádný proud, který by protékal přímo do země) Tedy například pro napájecí napětí 12V a výstupní napětí 2V je účinnost stabilizátoru 17%! To znamená, že 83% výkonu je ztraceno na stabilizátoru a 17% je přeneseno do zátěže.
U spínaného stabilizátoru se využívá akumulace energie v akumulačních prvcích. Konkrétně magnetického pole v cívce. Téměř veškerá akumulované energie je přenesena do zátěže a proto účinnost spínaného stabilizátoru dosahuje až 80%. Použitý stabilizátor LM2575 je dimenzován na maximální výstupní proud 1A a frekvence buzení cívky je 53kHz. Při použití toroidní cívky na feritovém jádře jsou ztráty v cívce na této frekvenci minimální. LM2575 Obvod LM2575 je monolytický integrovaný obvod v pouzdru TO220-5. Jedná se o řídící obvod snižujícího měniče napětí(step-down coverter). Na obr.1. je doporučené zapojení regulovatelného snižujícího měniče napětí s obvodem LM2575. Na stejném obrázku jsou uvedeny vzorce pro výpočet výstupního napětí z hodnot rezistorů R1 a R2. obr.1. doporučené zapojení LM2575
ELEKTRICKÉ SCHÉMA Na obr.2. je elektrické schéma spínaného stabilizátoru LM2575. Vstupní kapacity C1 a C2 slouží k případnému vyfiltrování napájecího napětí, které je přivedeno na vývod 1 integrovaného stabilizátoru. Stabilizátor je uzemněn na svorce GND a vstupu ENABLE, který spouští činnost obvodu. Spínaný vývod je připojen k akumulační cívce na toroidním jádře a Schottkyho diodě. Vstup FB stabilizátoru slouží k regulaci výstupního napětí zpětnou vazbou. Vnitřně je toto napětí porovnáváno komparátorem se zdrojem referenčního napětí 1,23V. K tomuto vstupu je připojen dělič napětí složený z trimrů a rezistoru R1, R2 a R3. Hodnoty součástek jsou vypočteny tak, aby bylo možno výstupní napětí regulovat v rozsahu 1,23 až 3V. Tento rozsah postačí pro všechny běžné LED ( červené, zelené a žluté). Pokud však někomu nevyhovuje takto zvolené hodnoty trimrů ve zpětné vazbě, lze osadit trimr R2 s jinou hodnotou. Graf 1 zobrazuje dosažitelné hodnoty Pro napájení modrých LED by bylo třeba přepočítat hodnoty výstupního napětí v závislosti na úhlu otočení pro 4 hodnoty trimrů. součástek, aby bylo možno dosáhnout maximálního jasu. Nastavení trimrů uvedu později. Na výstupní větvi je zapojena ještě SMD LED a rezistor pro indikaci výstupního napětí. obr.2. elektrické schéma regulátoru napětí
Osazení a oživení graf 1. závislost výstupního napětí na úhlu otočení trimru R2 Jelikož konstrukce obsahuje i součástky pro povrchovou montáž, tak je vhodné zapájet nejprve tyto součástky. Konkrétně se jedná o kondenzátory C2, C4, rezistory R3 a R4 a červenou LED. Dále zapájíme trimry, elektrolyty, cívku diodu a na konec samotný stabilizátor, kterému je třeba patřičně naohýbat vývody. Je třeba brát v úvahu, že obvod je upevněn na distančním sloupku 4mm. Na konec připájet přívodní vodiče. Nastavení Před zapojením stabilizátoru do obvodu s paralelně zapojenými LED je třeba nejprve stabilizátor nastavit trimrem R1 maximální možné napětí, aby nedošlo k poškození napájených LED. Nejprve otočíme trimrem R2 do krajní polohy, aby výstupní napětí bylo maximální a následně trimrem R1 doladíme toto napětí tak, aby podle VA charakteristiky použitých LED neprocházel jednotlivými diodami proud větší, než uvádí výrobce v mezních parametrech. Na příklad pro mnou použité LED bylo možné napájet maximálním napětím asi 2,3V, aby napájecí proud nepřesáhl 30mA. Konstrukční uspořádání Deska plošného spoje je navrhnuta pro umístění do krabičky U KM32 o rozměrech 32x46x15mm. Deska plošného spoje je na dně krabičky. Do krabičky je třeba vyvrtat díry pro nastavení trimru, indikační LED a kolečko potenciometru. Tyto díry je třeba vyvrtat přesně.
Závěr Zapojení by mělo fungovat ihned po připojení napájení. Výrobce doporučuje minimální vstupní napětí měniče 8V, ale zapojení funguje zcela správně již od 5V. Provedl jsem měření parametrů měniče a při napájení 16V (odebíraný proud 0,15A) a výstupním napětí 2,3V při proudu 0,72A je účinnost měniče 70%. Tyto výsledky jsou v porovnání s lineárním stabilizátorem bez pochyby lepší. Při tomto zatížení nevykazoval žádný prvek vyšší oteplení, takže není třeba chlazení. Trochu nevýhoda je vyšší cena zapojený, ale ani tak nepřesáhne 200kč za součástky. prvek hodnota součástka pouzdro knihovna C1 22u CPOL-EUE2-5 E2-5 rcl C2 100n C-EUC1206 C1206 rcl C3 100u CPOL-EUE3.5-8 E3,5-8 rcl C4 100n C-EUC1206 C1206 rcl D1 BYS26 BY228 SOD64-10 diode D2 RED LED-ASMD1206 D1206 jirka1a G1 GND 3,17/1,1 3,17/1,1 wirepad G2 GND 3,17/1,1 3,17/1,1 wirepad IO1 LM2575 LM2575 TO220-52 linear L1 330uH ED20 ED20 inductors R1 1k CA6V CA6V pot R2 500R LI10-B LI10-B pot R3 330R R-EU_R1206 R1206 rcl R4 47R R-EU_R1206 R1206 rcl UIN Uin 3,17/1,1 3,17/1,1 wirepad UOUT Uout 3,17/1,1 3,17/1,1 wirepad tab.1. použité součástky DESKA PLOŠNÉHO SPOJE návrh plošného spoje regulátoru
osazovací plány osazovací plán strany součástek osazovací plán strany spojů (SMD součástky) K u vývodu označuje katodu jednotlivých LED pohled na otevřenou krabičku Hotový regulátor Osazená deska plošného spoje regulátor s páskem LED Osazená deska plošného spoje díry v krabici Fotografie konstrukčních dílů Přeji mnoho úspěchu při realizaci této konstrukce. S případnými problémy poradím na jawer@seznam.cz 26.12.2005 Jiří Blecha, www.georgeb.wz.cz Použitá literatura http://onsemi.com