Käyttämällä keraamisia kondensaattoreita suodatukseen elektrolyyttikondensaattorien sijasta voidaan lediajurien luotettavuutta parantaa. Lisäksi pienestä kelasta ja keraamisista kondensaattoreista koostuvalla jälkisuotimella lähtöjännitteen aaltoisuutta voidaan hillitä. Keraamisten kondensaattorien tuottamaa pietsomelua taas voidaan vaimentaa sopivalla sijoittelulla sekä työstämällä aukkoja piirilevyyn.

Artikkelin kirjoittaja Matthias Ulmann on suorittanut tutkinnon sähkötekniikassa Ulmin yliopistossa vuonna 2006. Työskenneltyään useita vuosia moottorinohjauksen ja aurinkopaneelien invertteritekniikan parissa (erityisesti IGBT) hän tuli mukaan Texas Instrumentsin Analog Academyn yksivuotiseen harjoitteluohjelmaan. Vuodesta 2010 lähtien hän on toiminut yhtiön EMEA Design Services -ryhmässä referenssisovellusten suunnitteluinsinöörinä Saksan Freisingissa. Hänen suunnittelutoimensa kattaa eristetyt ja eristämättömät DC-DC-muuntimet kaikille eri sovellusalueille.

Hehkulamppuja korvataan yhä enemmän ledeillä. Hehkulampun suurin heikkous on surkea hyötysuhde säteilyspektrin näkyvän valon alueella. Vain noin viisi prosenttia lampun ottamasta sähkötehosta saadaan säteilynä halutulla valospektrin osalla. Loput 95 prosenttia hukataan lähinnä lämmöksi. Ledien hyötysuhde on jopa 30 prosenttia parempi, mutta niillä taas himmentimien hyödyntäminen on haastavampaa.

Ongelmana on säteilyspektrin siirtyminen, kun ledin myötäsuuntaista virtaa muutetaan. Virtaa pienentämällä valo kyllä himmenee, mutta samalla tapahtuu epätoivottava muutos säteilyn värilämpötilassa. Hehkulampun värisävyn punertuminen himmennyksessä on ollut hyväksyttyä ja jopa toivottua, mutta ledivaloilla tätä ei jostain syystä suvaita, vaan värilämpötilan halutaan pysyvän samana.

Tästä syystä ledien himmentämiseen käytetään PWM-himmennystä. Siinä lediä syötetään nimellisvirralla, mutta virtaa katkotaan nopeaan tahtiin. Pulssisuhdetta muuttamalla virran tehollisarvoa ja keskiarvoa voidaan pienentää ja näin säätää ledin säteilemää valoa himmeämmäksi. Värilämpötila kuitenkin säilyy samana kuin täydellä nimellisvirralla ohjattaessa. PWM-himmennyksen kytkentätaajuuden tulee olla yli sata hertsiä, jotta ledivalon välkkyminen voidaan välttää. Kytkentähäviöiden minimoimiseksi optimaalinen kytkentätaajuus on luokkaa 100 - 300 Hz.

Seuraavasta käy ilmi, miksi himmennyksen piiriratkaisuissa kannattaa käyttää keraamisia kondensaattoreita elektrolyyttikondensaattorien sijasta. Lisäksi käydään läpi lähtöjännitteen aaltoisuuden vaikutuksia sekä tapoja, joilla kuuloalueen hurinoita voidaan vaimentaa PWM-himmennyksessä.

Luotettavuus ennen kaikkea

Ledivalon ohjainosa asennetaan usein ahtaaseen tilaan, missä se saattaa kuumentua ja on yleensä vaikeasti saatavilla. Siksi on hyvin tärkeää, että ohjain toimii luotettavasti mahdollisimman pitkään.

Yleisin syy elektroniikkavikoihin erityisesti hakkuriteholähteissä on rikkoutunut elektrolyyttikondensaattori. Ylöspäin muuntavan boost-hakkurin lähtövirrassa esiintyy voimakasta aaltoisuutta (ripple), joka rasittaa kondensaattoria. Näin boost-tyyppisessä lediajurissa elektrolyyttikondensaattori joutuu sietämään sekä voimakkaita ripple-virtoja että korkeita lämpötiloja useiden vuosien ajan. Ongelman välttämiseksi pitäisi käyttää lämpöstabiileja X7R-tyyppisiä keraamisia kondensaattoreita. Ne voivat käsitellä suuria ripple-virtoja ongelmitta ja kykenevät toimimaan luotettavasti myös korkeissa lämpötilassa. Valitettavasti tästä seuraa uusia ongelmia.

Ongelma numero yksi on keraamisten kondensaattorien verrattain alhainen kapasitanssitaso. Esimerkiksi boost-tyyppisen lediajurin referenssisuunnitelmassa, jonka tulojännite on 24 volttia ja lähtöjännite 40 volttia, lähtöön on sijoitettu 2,2 mikrofaradin kondensaattorit (100V, X7R, 1210). Yleensä näihin kohteisiin sijoitetaan vähintään 100 mikrofaradin elektrolyyttikondensaattorit lähtöjännitteen aaltoisuuden vähentämiseksi, mutta tämän toteuttaminen keraamisilla kondensaattoreilla on käytännössä mahdotonta kustannussyistä.

Kuva 1: Boost-tehoaste varustettuna jälkisuotimella.

Pari mainitun kaltaista keraamista kondensaattoria ei vielä riitä vaimentamaan aaltoisuusjännitettä riittävästi. Ratkaisu tähän on jälkisuotimen lisääminen kuvan 1 mukaisesti. Diodille suoraan kytketyt kaksi kondensaattoria sieppaavat boost-tehoasteen pulssimuotoisen virran ja keskiarvoistavat sen tasajännitteeksi, joka sisältää yhä voimakkaan ripple-virtakomponentin. Kun perään liitetään LC-suodin, jonka rajataajuus on noin 1/10 muuntimen kytkentätaajuudesta, se suodattaa lähtöjännitteestä aaltoisuuden, joka esiintyy vielä kondensaattoreissa C2 ja C3.

Mittausten perusteella ratkaisun vaimennuskerroin on noin 77 (385 mV vs. 5 mV / 38 dB), joten lähtöjännite on riittävän siisti ledien ohjaamiseksi. Saavutettu 38 desibelin vaimennussuhde (joka on jo lähellä LC-suotimen teoreettista arvoa 40 dB) kohdistuu ainoastaan muuntimen kytkentätaajuiseen pulssivirtaan. Suurtaajuisten häiriöpiikkien vaimennuskerroin on vain noin 7 (385 mV vs. 58 mV / 16 dB). Tämä johtuu suotimen kelan kierrosten välisistä hajakapasitansseista. Ne vähentävät vaimennusta suurilla taajuuksilla. Piikeistä päästään eroon pujottamalla ferriittihelmet lähtöpuolen johtimiin.

Kuva 2: Jännitteen aaltoisuus ennen jälkisuodinta.

Kuva 3: Jännitteen aaltoisuus jälkisuotimen jälkeen.

Edellä mainitun kaltaista jälkisuodinta voidaan käyttää myös siinä tapauksessa, että hakkurityyppisen teholähteen tulossa tai lähdössä tarvitaan isokokoisia elektrolyyttikondensaattoreita ja suunnittelijan tavoitteena on samalla selvitä mahdollisimman kustannustehokkaasti. Yksinkertaisesti erottamalla kondensaattorit vaihtovirroista pienillä induktansseilla saadaan järjestelmästä merkittävästi luotettavampi rasittamatta elektrolyyttikondensaattoreita liikaa.

Kuultava melu minimiin

Keraamisten kondensaattorien avulla voidaan suunnitella pitkäikäisiä ledivalojen ohjaimia erittäin laajalle lämpötila-alueelle. PWM-himmennyksen käyttöönotto tuo kuitenkin suuria haasteita suunnitteluun. Useiden satojen hertsien kytkentätaajuudella toimiva pulssimuotoinen ohjaussignaali katkoo ledivirtaa samaan tahtiin.

Tämä pulssivirta kulkee boost-muotoisen lediajurin lähtöpuolen keraamisissa kondensaattoreissa ja saa ne mekaanisesti värähtelemään pietsosähköisen ilmiön vuoksi. Kondensaattorit alkavat liikkua pystysuunnassa edestakaisin ja siirtävät värähtelyn piirilevyyn, joka toimii kaikupohjana syntyville hurinoille ja ulinoille. Virran suuruudesta ja laitteen mekaanisesta rakenteesta riippuen värähtelystä syntyvä ääni voi olla hyvin voimakas ja häiritsevä.

Saatavissa on myös keraamisia erikoiskondensaattoreita, joissa tämä ominaisuus on tavallista vähäisempi, mutta ainoastaan erittäin huolellisella mekaniikan suunnittelulla ja osien sijoittelulla ongelma voidaan ratkaista tehokkaasti. Vain näin voidaan päästä ohjaimen tuottamassa melussa hyväksyttävälle tasolle ja käyttää tavallisia keraamisia kondensaattoreita.

Ensinnäkin kaksi identtistä kondensaattoria kannattaa sijoittaa täsmälleen samaan kohtaan piirilevyä sen molemmin puolin. Jos piirilevylle on sijoitettu vain yksi kondensaattori, se taipuu keskikohdaltaan kohti levyä ja takaisin. Tämä liike stimuloi piirilevyä kuin kaiuttimen membraania, mikä synnyttää ääniaaltoja ilmaan. Jos yhden sijaan sijoitetaan kaksi kondensaattoria piirilevyn molemmin puolin, ne taipuvat kohti levyä ja siitä poispäin aina samanaikaisesti. Näin ne kompensoivat vahvasti piirilevyn mekaanista stimulointia, eikä levy enää pääse värähtelemään voimakkaasti.

Toinen tapa edelleen vaimentaa jäljelle jäävää meluääntä on vähentää kondensaattorien ja piirilevyn välistä mekaanista yhteyttä. Työstämällä piirilevyyn aukot kondensaattorin juotostäplien ulkopuolelle saadaan värähtelyn välittäjänä toimivan levynosan pinta-ala merkittävästi pienemmäksi. Kondensaattorien ympärille tehdyt aukot on merkitty punaisella kuvassa 4.

Kuva 4: Keraamisten kondensaattorien ympärille piirilevyyn tehdyt aukot on merkitty punaisella.

Kumpaakin edellä mainittua menetelmää käyttämällä ohjaimen tuottamaa kuuloalueen häiriötasoa voidaan merkittävästi alentaa. Ilman näitä järjestelyjä PWM-himmennyksen ja boost-tyyppisen ohjaimen lähtöön liitettyjen keraamisten kondensaattorien tuottama melu on kuultavissa useiden metrien päähän. Kompensoimalla kondensaattorien liikkeitä ja pienentämällä piirilevyn resonoivaa aluetta melutaso voidaan vaimentaa niin alhaiseksi, että korva on painettava lähes kiinni piirilevyyn, jotta ohjaimen tuottaman vähäisen surinan voisi kuulla.

Kuva 5. PMP10171-referenssikytkentä.

TI:n suunnittelema referenssikytkentä PMP10171 on nelikanavainen boost-tyyppinen lediajuri, jonka tulojännitealue on 10-30 volttia ja lähtöjännite 40 volttia 0,5 ampeerin virralla kanavaa kohti. Ohjain on suunniteltu tässä mainittuja tekniikoita hyödyntäen ja kaikki suunnitteluun liittyvät materiaalit (piirikaaviot, osakustannuslaskelmat, testiraportit, osien sijoittelutiedot ja valmisohjelmat) ovat saatavissa osoitteesta http://www.ti.com/tool/PMP10171.