Son dönemlerde çıkan yeni yönetmelikler, Avrupa’da enerji verimliliği üzerine alınan kararlar ve gelişen led teknolojisi ile birlikte, led aydınlatmanın önü açıldı ve ledler piyasaya girmeye başladı. Aydınlatma konusunda bu yönelimi gören büyük firmalar ise yavaş yavaş kendi ürünlerini çıkararak ya da başka firmaları bünyelerine katarak sektördeki yerlerini her geçen gün daha da sağlamlaştırmaya çalışıyorlar. Tüm bu gelişmelerin yarattığı rekabet, hem yüksek fiyata satılan led sürücülerin fiyatlarının düşmesine hem de Çin kökenli ve kalitesiz cihazların yavaş yavaş piyasadan silinmesine yol açarak, kullanıcıların lede kolay ulaşmalarını sağlayacak güzel gelişmeler demek.

Konu güç elektroniği ile doğrudan alakalı olduğundan ben de bu konuda piyasanın yönelimini inceleme ve izleme fırsatı buldum.

Öncelikle led sürücü nedir konusunu ele aldığımızda; çıkıştaki led sayısına bağlı olarak geniş çıkış gerilimi aralığında gezinebilen, sabit akım kaynaklarıdır denebilir. Günümüzde en çok kullanılan led driver topolojilerine bakıldığında karşımıza üç farklı topoloji çıkmaktadır, bunlar; Buck Converter, Flyback ve LLC Resonant Converter.

1) LLC Resonant Converter
Teorisi çok uzun süreden beri bilinen fakat özellikle son 4-5 yıl içerisinde gerek fiyatsal anlamda iyileşme gerekse elektriksel bazı teknik sıkıntıların aşılmasından sonra, led TV’lerde kullanımıyla da birlikte adını sıkça duymaya alıştığımız bu topolojide, bir resonant tank devresi, çıkışta istenen sabit akım ve değişken güce göre frekans değiştirilerek kontrol edilir ve regülasyon sağlanmaya çalışılır. LLC Resonant Converter topolojisinin yapısı aşağıda görülebilir.

LLC Resonant Converter topolojisinde biri trafo içerisinde bulunan Lm olmak üzere iki adet bobin ve bir adet de kapasite olma zorunluluğu vardır. Dışta bulunan bobinin maliyetinden kurtulmak adına Lr adlı bobin, trafonun kaçak endüktansı kullanılarak tasarlanır ve devrede tek bir trafo ve bir adet kapasite kullanılacak LLC Resonant Converter topolojisi tamamlanmış olur. Tasarlanan LLC devresindeki kazanç/frekans eğrileri aşağıdaki gibidir.

Buradaki her farklı renk, değişik yüklerdeki LLC kazanç eğrisini göstermektedir. Bu eğrilerden de yola çıkıldığında LLC Resonant Converter’in en büyük problemlerinden birinin çıkışta sıfır yük bulunması olduğu görülebilir. Klasik sürücüler ile yapılan tasarımlarda, çıkışta sıfır yük bulunmaması için dummy load devreleri bağlanması gerekmekteydi yalnız son dönemlerde yapılan geliştirmelerden sonra bu problem de ortadan kaldırıldı ve hem kontrol hem de verim anlamında iyi yönde gelişmeler yaşandı.

300-500W arasında tasarlanmış iyi bir LLC Resonant Converter’in verimi günümüzde %93-94’leri bulabilmektedir. Bunun yanında kullanılan frekansın çok yüksek olması (200kHz’den 600-700kHz’e kadar) ve topolojisinin sağladığı soft switching (ZVS ve ZCS) sayesinde verim artışından dolayı sürücü modülleri oldukça küçülebilmektedir. Bu gibi iyi özellikleri nedeniyle Led TV’ler ve monitörler için oldukça önemli bir yere sahip LLC Resonant Converter’in giriş gerilimi tarafında çok fazla salınıma izin vermemesi, PFC gibi giriş gerilimi sabitleyicilerini gerekli kılması tasarımcılar için hem maliyet hem de yer açısından sorun oluşturabilmektedir.

Tüm bunlara rağmen LLC Resonant Converter, özellikle kontrolcü bazında günümüzde süren geliştirmeleri ve iyileştirmeleri ile geleceğin yükselen topolojisi olarak göze çarpmaktadır.

2) Flyback Converter
Her güç devresinde olduğu gibi konu fiyat/performans olduğunda led sürücü tasarımcıların ilk başvurduğu topoloji yine Flyback oldu. 5-6 yıl önce günümüzdeki kadar çok led üzerine yoğunlaşmış entegre olmadığından, tasarımcılar ara çözümlere yönelmek zorunda kalıyordu. Led sektöründe ise fiyatlar çok ezici olduğundan tasarımcılar bir çok kurnazlıkla devrelerini sadeleştirme ve ucuzlatma yoluna gidiyorlardı. Tam bu bölümde PSR Flyback Converter topolojisi ön plana çıktı.

Yukarıda mantıksal devresi görülen bu topolojide, regülasyon için gerekli geri besleme Aux sargısı üzerine yansıyan gerilim üzerinden yapılmaktadır. Bilindiği üzere, flyback topoljisinde bulunan girişteki anahtar elemanı kesime gittiğinde, giriş geriliminin üstüne, trafo sarım oranıyla birlikte çıkış gerilimi yansımaktadır. Bu gerilim Vro ile ifade edilir ve n=Vro/Vout şeklinde basitçe hesaplanabilir. PSR Flyback Topolojisindeki kontrolcü ise bu bağıntıyı kullanarak çıkıştaki gerilimi tahmin edebilir ve girişteki gücü peak akımlar ile sınırlandırarak, çıkış gücünü de limitleyebilir. Dolayısı ile PSR Flyback Topolojisi, teorisi gereği CV/CC modunda çalışabilir.

İlk çıktığı dönemlerde özellikle izolasyon gereken telefon/tablet/laptop adaptörlerinde kendisine oldukça yer bulan topolojinin en büyük eksiği ise Discontinuous Mode çalışma zorunluluğu ve bu zorunluluğun getirdiği kısıtlardan dolayı (peak akımların yükselmesi, trafo sarım zorluğu, yarı iletken maliyetinin artması, çıkış kapasitelerinin zorlanması) çıkış gücünün çok yüksek olamamasıdır.

Tüm bu kısıtlara rağmen günümüzde özellikle 40W’a kadar olan led uygulamalarında karşımıza PSR Flyback Converter topolojisi çıkmaktadır. İyi tasarlanmış bir PSR Flyback Converter devresinin verimi %75-85, regülasyon kısmında ise %5 civarları yakalanabilmektedir. Bunun yanında son dönemde çıkan PSR Flyback Converter entegreleri artık PFC kontrol de yapabilmektedir.

3) Buck Converter
Özellikle 10W ve altı led sürücülerde PSR Flyback Converter topolojisinin üretim maliyetinin yüksek oluşu, led ampül üretiminin sayılarının da artmasıyla tasarımları buck converter topolojisinin kullanıma doğru itti. Bu konuda özellikle Microchip’in son dönemde satın aldığı Supertex firmasının HV9910 entegresinin mantıksal şeması aşağıda görülebilir.

Burada önemli olan etmenlerden biri kontrolcünün besleme gerilimini nasıl aldığıdır. Bazı entegrelerde bu filtre bobini üzerine sarılan ikinci bir sargı ile yapılırken, yukarıda mantıksal şeması görülen HV9910 gibi kontrolcülerde düşük güç tüketen regülatörler ile yapılmaktadır. 8-400V gibi geniş bir aralıkta çalışan kontrolcünün regülasyon değeri, anahtarlama elemanını da sürebilmesi için 7.5V gibi sınır bir değere konmuş. Bunun yanında akım regülasyonu ise CS pinine bağlı şönt direnç üzerinden okunan peak akımlar sayesinde ayarlanmış. Bu gibi entegrelerin en güzel özelliklerinden biri de LD ya da PWM_D ucu kullanılarak led parlaklıklarının değiştirilmesine müsaade etmesi yani dim olayı.

Yukarıdaki gibi dışsal bir anahtarlama elemanı kullanan buck converter kontrolcüleri olduğu gibi piyasada içsel anahtarlama elemanı barındıran kontrolcüler de mevcuttur. Bunun yanı sıra iyi tasarlanan bir buck converterin verimi %90 ve üzeri olabilmektedir.

İnceleme
Led sürücü araştırmalarım sırasında yurt dışından edindiğim 4W, 350lm ve 5000K değerlerine sahip bir led ampülü deneme fırsatı edindim.

Öncelikle kullanıcı deneyimlerimi paylaşacak olursam; 4W gibi bir değer bana az gibi gelse de edindiğim ampül 15-20m^2 bir odayı rahatlıkla aydınlatabilecek düzeyde olduğunu gördüm. Oda aydınlatmasında kullandığım 20W tasarruflu ampülden oldukça iyi bir ışık değerine sahip ve bunun yanında ilk çıkan led ampüllerde bulunan “ışığı orantısal şekilde dağıtamama” sorunu yaşamadım.

İncelediğim led ampülün elektronik devresini aşağıda görebilirsiniz.

Burada dikkat çeken en önemli unsur ledlerin alüminyum PCB’ye aktarılmış olması. Tasarlanan 4W led ampülde ısı atma işlevi alüminyum PCB’ye bırakılmış. Çalışır halde sıcaklıkların ortam sıcaklığı 25C iken, alüminyum PCB’de 65-70C civarına çıktığını gözlemledim. Led ampülün spektlerini incelediğimde +45C gibi bir değer verildiğini gördüm. Led çalışma sıcaklığının maksimum 80-85C’lerde olacağı öngörüldüğünden herhangi bir sorun göze çarpmıyor. Bu konuda tüm led ampül üreticileri neredeyse 2 yıl ömür veriyorlar ve 30000-35000 saat ömür biçilen ledler için, sıcaklıkla ilgili bir problem yaşanmazsa ampülün uzun süre çalışabileceği öngörülebilir.

Led ampülün kalbini ise BP Semiconductor adlı firmanın B2831A entegresi oluşturuyor. Entegre içerisinde 500V bir MOSFET ile, Critical Conduction Mode’da çalışan bir kontrolcü barındırıyor. Bunun yanında kontrolcü akım regülasyonu yapıyor ve yaklaşık 160mA civarında herhangi bir problem olmadan çalışabileceği öngörülüyor. MOSFET’in Rds_on direncinin 14Ω olması, 160mA RMS akımda entegrenin 0.36W, anahtarlama kayıplarıyla birlikte 0.40-0.45W civarı ısınacağı anlamına geliyor. Termal direnç (Junction to Ambient) 145C/W olarak entegrenin spektlerinde veriliyor. Dolayısı ile entegrenin +65C dolayı ekstra ısınacağı öngörülebilir. Ortam sıcaklığı +45C olarak alınırsa, entegre çalışma sıcaklığı 110C olur ki yine spektlerde maksimum çalışma sıcaklığı 150C olarak verilmiş. Her ne kadar bu kısımda hesaplar uygun gibi gözükse de entegrenin Power Dissipation değeri 0.45W olarak öngörülüyor ki bu da sınır değerler.

Yaptığım denemelerde ledlerin 42V gerilimde ve 80-90mA civarında akım çektiğini gözlemledim. Bu kısımda entegre çalışma gücünün yarısı kadar bir güçte çalışıldığı gözüküyor.

Led ampülün elektronik sürücü kısmının devre şeması aşağıda görülebilir.

Led driver’ın öncelikle teknik kısmı ele alındığında akım regülasyonlu bir buck converter olduğu görülür. Klasik buck converter’lardan farkı ise akım regülasyonu yapılacağı için regüle edilecek tarafın DC+’ya asılmasıdır. Böylelikle MOSFET DC-‘ye bağlanabilir ve herhangi bir ekstra sürücü devreye gerek duyulmaz.

Devrenin girişinde 10Ω direnç göze çarpmaktadır. Bu direnç, özellikle ampülün aç/kapa durumlarında, C1 kapasitörünün ilk enerjilenmesi anında, anlık yüksek akım değerlerinde (kapasitör başlangıçta kısa devre gibi çalışır) zarar görmesini engeller. Giriş akımı çok düşük olduğu için buradaki verimsizlik göz ardı edilebilir.
C1-L1-C2’den oluşan Pi filtre ise özellikle L3’ün bulunduğu güç katındaki yüksek frekanslı akım bileşenlerinin, giriş soketine ulaşmasını engellemek için tasarlanmıştır. Normalde yüksek güçlü devrelerde burada bulunan Common Mode ve Differential Mode Line Filter’ın işlevini burada Pi filtre üstlenmiştir.

Bundan sonraki kısımda entegreyi biraz tanımak gerekiyor; kontrolcünün genel iç yapısı aşağıda görülebilir.

Entegrenin çalışma ilkelerine girmeden önce, bu veya başka tür entegreleri inceleyecek yeni arkadaşlar için şunu söylemek isterim; genel iç yapıyı gösteren blok diyagramlar, entegrenin gerçekten içinde bulunan elemanları göstermeyebilirler. Örneğin bu diyagramda opamp olarak görünen blok, entegrenin içerisinde opamp olduğu anlamına gelmez. Entegre yorumlamalarına “çalışma mantığı ilkesi” ile yaklaşılması gerekir.

Devam edecek olursak; entegre ile birlikte akım regülasyonu RS1 ve RS2 dirençlerinin değerleriyle oynanarak yapılmaktadır. Burada RS1 ve RS2’nin birbirine paralel olduğu ve paralel eş değer direncin 2.56Ω civarında olduğu görülüyor. Ipeak akımı ise kolay bir hesapla 400mV/2.56Ω=156mA çıkıyor. BP2831A’nın datasheet’inde Iled akımı Iled=Ipeak/2 olarak alınabilir diyorsa da normal RMS değerinin, kontrolcünün critical conduction mode’da çalıştığı göz önüne alındığında Iled=Ipeak/sqrt(3) olması gerekir. Sonuç olarak led akımı Iled=90mA olarak alınabilir. Aşağıda CS pinine ait gerilim şekli görülebilir.

200mV kademesinde, peak gerilim düzeyinin 400mV’ta kaldığı osiloskop üzerinde görülebilir. Bunun yanında ampülün giriş akımının şekli aşağıdadır.

Yukarıdan da görülebileceği üzere sistemin akım şekli sinüsten uzak ve PF oranı bu nedenle kötü olacaktır. Ayrıca her ne kadar yukarıdaki osiloskop görüntüsü, osiloskopun dijital filtrelemeden de geçirilse, çıkışa 30 ile 40kHz arasında akım bindirmeleri mevcuttu. İncelediğim ürünün CE standartını almış olması özellikle Conducted EMI’dan geçtiğinin bir kanıtı olarak görülse de bana çok güven vermediğini söylemek isterim.

Ampül girişine 85Vac uygulanırken BP2831A içindeki MOSFET’in Drain-Source ucundaki gerilim şekli aşağıdaki gibi oldu.

Akım değerlerinin çok büyük olmaması nedeniyle, buck converter simülasyonlarında görmeye alışık olduğumuz salınımsız sinyal göze çarpmaktadır.

Devrenin BOM maliyeti çıkarıldığında ise (bir çok tedarikçi ortalaması alındığında) 0.20$ gibi bir rakamın çıktığı gözükmektedir.

Bitirirken..
Günümüz aydınlatma sektörünün led üzerine yoğunlaşacağı aşikar. Özellikle devlet ve belediyeler özelinde yakında çıkması beklenen “sokak aydınlatmalarının lede dönüşmesi” projesi bir çok büyük firmanın yanında, kobilerin de beklentilerini artırmakta ve ileriye dönük yatırım faaliyetlerini bu yönde zorlamaktadır. Bu konuda her ne kadar pazar büyük gözükse de fiyatların oldukça düşük mertebelerde oluşu küçük yatırımcılar için, özel tasarımlar olmadıktan sonra,zorlayıcı olacağı da bir gerçek.

Tüm bu büyük rekabet sonrasında ise gerek teknik tarafta yeni ve efektif çözümler, gerekse yeni yöntemler piyasaya sunulmak zorunda kalacak. Bunlar özellikle maliyetler konusunda güç elektroniği tasarımı yapacak olan kişilerin ellerini bir nebze olsun rahatlatacak; anahtarlama elemanları fiyatları düşecek, kontrolcüler gelişecek, kompakt çözümler çıkacak.

Dip not: LLC Converter için Fairchild firmasının AN-4151, PSR Flyback Converter için yine aynı firmanın AN-8033 adlı application notu okunabilir.