Как выбрать светодиодный драйвер или альтернативы и перспективы традиционных ламп накаливания

Автор: Chief_Admins / Дата: пт, 12/01/2017 - 20:42 /

Статья освещает реалии получения высокого КПД и эффективность экономии в случае замены стандартных ламп накаливания светодиодные альтернативными источниками освещения, а также вопросы совместимости этих решений в существующих схемах фазового затемнения.

На современном рынке осветительных технологий и устройств происходят существенные изменения. Сегодня острием стоит вопрос экономии электрической энергии, который все чаще затрагивает вопросы применения альтернативных источников освещения в промышленности и быту путем тотальной замены стандартных ламп накаливания более энергоэффективными решениями на основе светодиодов. К этому приводят также и известные объективные факторы: КПД светодиодов в 10 раз выше КПД всем известных ламп накаливания, длительность службы светодиодных источников освещения около 100 тыс. часов фактически не предполагает каких-либо дальнейших затрат на замену и обслуживание осветительного оборудования.

Потенциал светодиодных источников света очевиден и уже давно доказан многими современными странами земного шара. Все правительственные здания США уже перешли на светодиодное освещение. Серьезность намерений США в переходе на альтернативные источники освещения доказана фактом стремительного развития отрасли отрасли альтернативных источников освещения. Когда-то конгрессом США даже была назначена премия в 10 млн. долларов за разработку альтернативы лампе накаливания для светильников со стандартным патроном. Технически новая система освещения (лампа) является более сложным устройством, чем обычная лампочка накаливания и должна быть укомплектована не только светодиодом, но и светодиодным драйвером (светодиодный драйвер — источник питания светодиодной лампы). Таким образом, перед разработчиками стояла непростая задача совместимости все требований нового осветительного устройства, учитывая жесткие ограничения по габаритам, а также шумовым характеристикам. Эффективность светодиодной лампы должна превышать 90 лм/Вт и эффективность источника питания является довольно критичной для создания успешного светодиодного решения для систем освещения.

Для обеспечения необходимого светового потока светодиодная лампа конструктивно должна быть построена из 12 или более светодиодов (светодиодных элекментов). Яркость светодиода прямо пропорциональна функции проходящего через него тока. Типовое номинальное питающее напряжение светодиода — 3,4 В с допустимым диапазоном 2,8…4,2 В, соединение светодиодов в лампе является последовательным, и драйвер (источник питания) должен работать на постоянном токе (СС — Constant Current) в широком диапазоне допустимых напряжений.

Стремительный прорыв развитии микроэлектроники и микроэлементной базы позволяет получать светодиодные драйверы с использованием минимального количества электронных компонентов. Например, преобразователь питания компании Power Integrations Inc. построен всего на 16 компонентах. Данная схема построена для работы на входных напряжениях в диапазоне 85...265В переменного тока, что позволяет использования светодиодные лампы в любой стране мира со своими стандартами напряжения питающей сети.

Рис. 1. Схема tapped-buck-преобразователя на базе LNK605DG

Основные преимущества топологии tapped-buck — меньшие, чем у изолированного обратноходового преобразователя размеры печатной платы, меньшие размеры дросселя и больший КПД (>80% для 4,2 Вт). Использование технологии tapped-buck позволяет соединять нагрузку последовательно с дросселем (обмотки 1—4 и 7—8) и ключевым элементом (встроенный в U1 MOSFET-транзистор на 700 В). Запирание ключа индуцирует ток в выходной обмотке (выводы 7—8) посредством энергии, запасенной в T1, вследствие чего коэффициентом трансформации увеличивается ток выходной обмотки и с выходной обмотки протекает через выпрямляющий диод D1 и нагрузку.

Благодаря микросхеме U1, работающей на частоте 88кГц габариты дросселей и конденсаторов существенно минимизируются. В режиме постоянного напряжения (CV — Constant Voltage) схема генерирует 12В ±5% с током до 350 мA при переключении в режим постоянного тока (СС), является нормальным режимом работы светодиодной нагрузки — 350 мA ±10%. Роль ключа в этой схеме выполняет контроллер, встроенный в U1. Обратная связь использует напряжение вспомогательной обмотки (выводы 5—6) T1. Для поддержания режима СС не требуется шунтирующий резистор. Данная схема не предусматривает наличие оптопары или вторичной цепи контроля. Метод контроля компенсирует изменения входного напряжения, а также параметров дросселя и других компонентов.

Вначале каждого рабочего цикла ключ U1 отпирается, и ток протекает через U1, и при достижении внутреннего уровня ограничения ключ U1 запирается, вследствие чего запасенная в T1 энергия индуцирует ток выходной обмотки, поддерживая его стабильные параметры от цикла к циклу. Конденсатор C1 выполняет функции фильтра тока нагрузки, удаляя из него шумы. Релейный метод контроля ключа и частота переключения могут изменяться, зависимо от напряжения в обратной связи на выводе FB.

В режиме постоянного тока растет и напряжение вывода FB, поскольку растет выходное напряжение и напряжение обратного хода, снижая частоту переключения, поддерживая постоянный ток на выходе. В режиме постоянного напряжения (CV) контроллер управляет напряжение на выходе релейным методом. Благодаря переключению в режим постоянного тока (СС) схема содержит защиту от превышения максимального напряжения на выходе. Возникновение неполадки и рост температуры LNK605DG выше максимальной (142°C) вызывает активацию интеллектуальной тепловой защиты.

Описанная выше схема является одним из наиболее эффективных решений замены традиционной лампы накаливания свтодиодным альтернативным источником освещения  и является совместимым с ЭМИ стандартами EN 55015 класса B, а также имеет запас в 10 дБ. Требования стандарта Energy Star на данном уровне мощности могут выполняться благодаря технологии valley-fill. Однако данная технология требует применения дополнительных пассивных компонентов, что существенно увеличивает размеры платы и снижает общий КПД. Стандарт Energy Star также вводит предложение поддержки всеми светодиодными лампами функции фазового затемнения. Добавление этой функции влечет за собой необходимость реализации дополнительной цепи, что также может сказаться на КПД. Но функция фазового затемнения может быть добавлена посредством использования цепи для определения фазы нарастающего напряжения, которое генерируется симистором.

Рис. 2. Схема buck-boost-преобразователя 9Вт, использующего технологию valley-fill для улучшения коэффициента мощности

Посредством преобразователь buck-boost обеспечивается режим постоянного выходного тока (в пределах 9Вт) с максимальным выходным напряжением (в пределах 70В), диапазоном входного напряжения 108…132В постоянного тока и поддерживает функцию фазового детектирования (в схемах с симисторными системами контроля затемнения). С пассивным корректором коэффициента мощности valley-fill коэффициент мощности источника питания величиной более 0,2 полностью соответствует стандарту Energy Star SSL (твердотельные светильники) для коммерческих нужд. Увеличение выходного напряжения дает возможность увеличить КПД и компенсировать дополнительные потери на технологии valley-fill. На основе вышесказанного подтверждается соответствие данного преобразователя стандарту ЭМИ — EN 55015B.

Микросхема LinkSwitch-TN (U1) применяет описанный выше релейный способ контроля силового ключа. Шунтовой резистор R11 в этой схеме генерирует напряжение на светодиоде оптопары U2A. Этот сигнал обратной связи прикладывается к выводу FB микросхемы U1 через фототранзистор U2B и резистор R12. Диоды VR1, VR2 и резистор R14 ограничивают выходное напряжение в состоянии «без нагрузки» на уровне 80В.

Логика фазового детектирования применяет все преимущества релейного метода управления силовым ключом, контролируя угол фазы симистора и запрет переключения силового ключа для организации снижения тока нагрузки и реализации затемнения. Диод D10 изолирует входное напряжение от накопительных конденсаторов, позволяя получить таким образом информацию про угол фазы. Напряжение на R7 усредняется емкостью С7. Резисторы R7—R9 формируют цепь деления напряжения. При уменьшении входного напряжения (изменении угла фазы симистора) напряжение на конденсаторе С7 уменьшается, понижая напряжение на базе Q1. При падении напряжения базы Q1 ниже 5,1В, Q1 открывается, пропуская ток на вывод FB, вследствие чего прекращается переключение ключа. Диоды D2—D4 с конденсаторами С1 и С2 организуют цепочку технологии valley-fill, обеспечивающую коррекцию коэффициента мощности.

Выше описанные схемы технически иллюстрируют два примера замены лампы накаливания светодиодным источником альтернативного освещения. Первая схема строит светодиодную лампу с минимальным количеством компонентов и универсальным напряжением питания. Вторая схема включает функцию фазового затемнения и, возможно, является более эффективной заменой традиционных источников освещения, давая возможность при полной нагрузке получить КПД свыше 85%. Также существуют решения, заменяющие стандартную схему фазового затемнения (трехпроводные схемы, замена симисторов на IGBT и др.). Схемные реализации таких решений отличаются от рассмотренных выше, но с технической точки зрения являются более эффективными.

Светотехника

Читайте также: