Переходные процессы на источниках питания светодиодов и методы их устранения

АННОТАЦИЯ

 В данной статье приведены простые импульсные источники питания светодиодов, описаны три основных типа транзисторов, используемых в источниках питания в качестве источников питания светодиодов, к которым относятся биполярные транзисторы, полевые транзисторы и транзисторы IGBT.

ABSTRACT

This article provides simple switching power supplies for LEDs, describes the three main types of transistors used in power supplies as power supplies for LEDs, which include bipolar transistors, field effect transistors, and IGBTs.

Ключевые слова: источник питания светодиодов, биполярные транзисторы, полевые транзисторы, транзисторы IGBT, переключатель.

Keywords: LED power supply, bipolar transistors, field effect transistors, IGBT transistors, switch.

Ключ переключения является одним из двух наиболее важных источников потерь энергии в простом импульсном источнике питания. Потери энергии можно разделить на два основных типа: потери энергии в электропроводности и потери энергии, возникающие в процессе переключения переключателей. Первый тип потерь возникает при повторном включении ключа и стабилизации управляющих колебаний.

Существует три основных типа транзисторов, используемых в источниках питания в качестве источников питания светодиодов. К ним относятся биполярные транзисторы, полевые транзисторы и транзисторы IGBT.

Биполярный силовой транзистор - это устройство с регулируемым током, используемое для управления током в выходной цепи источников питания светодиодов. Чтобы такие транзисторы работали как переключатель, силовые транзисторы должны работать в режиме насыщения или аналогичном режиме работы.

Известно, что при работе мощного транзистора в режиме насыщения потери его энергии невелики [2]. Это связано с тем, что в режиме насыщения транзистора его выход, то есть напряжение насыщения между коллектором и эмиттером, имеет минимальное значение. Например, напряжение насыщения германиевых транзисторов составляет от 0,1 В до 1,0 В, а напряжение насыщения кремниевых транзисторов составляет от 0,5 до 5,0 В. Из теории электронной техники известно, что мощность, рассеиваемая в транзисторе, определяется следующим образом [1,3].

                                                                                (1)

где, U_КЭ - напряжение на коллекторном и эмиттерном электродах транзистора; I_К - это ток, протекающий через коллектор транзистора.

Это означает, что независимо от того, насколько велик ток, протекающий через коллектор транзистора, чем ниже напряжение между коллектором и эмиттером транзистора, тем меньше мощность, рассеиваемая в транзисторе, и тем выше его эффективность. Точно так же, чтобы эффективность инверторов была высокой, транзисторы, работающие в выходной цепи инвертора, должны работать в режиме насыщения.

Ток, протекающий через базу силового транзистора, определяется следующим образом для транзистора, работающего в выходной цепи инвертора, для работы в режиме насыщения.

                                                                         (2)

Где: I_Б - величина тока, протекающего через базу силового транзистора; - величина тока, протекающего через коллектор силового транзистора;  - минимальный коэффициент усиления силового транзистора по току. Временная диаграмма коммутационных процессов в импульсном режиме работы силового транзистора представлена на рисунке 1.

Из теории импульсной техники известно, что при работе транзисторов в импульсном режиме переходные процессы формируются в его коллекторе. Эти переходы проявляются в виде электрических сигналов с различными периодическими и непериодическими колебаниями, в зависимости от типа транзистора и режима его работы. График переходного процесса транзистора в импульсный режим представлен на рисунке 1.

Изучение и обнаружение потерь энергии в импульсных источниках питания важно для повышения коэффициента полезного действия (к.п.д.). Потери энергии в импульсных источниках питания можно разделить на три категории: потери энергии в процессе переключения переключателей, потери энергии в электропроводности, статические и резистивные потери энергии [1].

Рисунок 1. Временная диаграмма коммутационных процессов в импульсном режиме работы

Рисунок 2. Схема, исключающая процессы переключения, происходящие в силовых транзисторах, с использованием демпфера на источнике питания светодиода, встроенном в транзистор IGBT

Этот переключатель является одним из двух наиболее важных источников потерь энергии в простом импульсном источнике питания. Потери энергии можно разделить на два основных типа: потери энергии в электропроводности и потери энергии, возникающие в процессе переключения переключателей. Первый тип потерь возникает при повторном включении ключа и стабилизации управляющих колебаний.

Усовершенствованная схема схем, устраняющих переходные процессы, происходящие в источниках питания светодиодов, показана на рисунке 2.

Схема состоит из индуктивности L, диода D и конденсатора C, который устраняет переходные процессы, происходящие в источниках питания светодиодов. Схема, состоящая из последовательно соединенных катушек индуктивности L, диода D и конденсатора C, подключена к цепям коллектора и эмиттера всех силовых транзисторов источников питания светодиодов. Выход источника питания светодиода подключен к нагрузке Rн потребителя.

Рисунок 3. График переходных процессов, которые происходят в силовых транзисторах на светодиодном источнике питания, встроенном в транзистор IGBT

Источники питания светодиодов работают следующим образом. Одновременно на вход двух транзисторов Т1 и Т4 подается прямоугольный импульс величиной 1К, и транзисторы включаются и через них течет ток от потребителя RЮ. После остановки импульса на входе транзисторов Т1 и Т4 другие транзисторы Т2 и Т3 передают прямоугольный импульс на вход 2К транзисторов, и они открываются, и ток течет в противоположном направлении от потребителя Rн.

Рисунок 4. График устранения переходных процессов, возникающих в силовых транзисторах, с помощью демпфера на источнике питания светодиода, встроенном в транзистор IGBT

Таким образом, на выходе источника питания светодиода, т.е. на потребителе Rн, генерируется переменный ток, и происходят переходные процессы, показанные на рисунке 3. Процесс перехода в силовых транзисторах источников питания светодиодов смещается от вибрирующего к сглаженному, и этот переходный процесс устраняется. На рис. 4 показан полный вид переходного процесса в силовых транзисторах источников питания светодиодов.

Список литературы:

1.    Гейтенко Е.Н. “Источники вторичного электропитания”. Схемотехника и расчет. М.: Радио и связь, 2008 г.
2.    Саидахмедов С.С., Хошимов О.О. Ўзгартиргич техникаси ва таъминот манбалари. Тошкент – 2003 й. Фан ва технология, 2011.-132 6 .
3.    Bozorovich N. M. et al. Obtaining and researching of thermoelectric semiconductor materials for high-efficienting thermoelectric generators with an increased efficiency coefficienT //Проблемы современной науки и образования. – 2019. – №. 12-2 (145).