Зачем и для чего подключать светодиодные системы освещения к переменному току объясняет Франсуа Миранд.
Как показывает история, светодиоды с каждым годом обеспечивают всё большую эффективность и производительность при меньшей себестоимости, по сравнению с другими типами полупроводниковых приборов.
Это происходит настолько быстро, что другие части обычного светодиодного осветительного прибора (корпус, разъёмы, печатная плата, оптика и, прежде всего, источник питания) теперь несут на себе большую часть общей стоимости системы, которую ещё пять лет назад занимала стоимость только одних светодиодов.
Это привело к попытке создать намного более дешёвую архитектуру, значительно уменьшив стоимость источника питания. В таких типах светильников как плоские светодиодные панели, линейные светильники и светодиодные лампы классической формы, низкая стоимость является самым важным атрибутом для потребителя.
Концепция «Прямое подключение светодиодных систем к переменному току» была разработана, чтобы полностью исключить необходимость в традиционном (громоздком и дорогостоящем) импульсном источнике питания с преобразованием переменного напряжения и тока в постоянный.
Первоначально реализации светодиодных систем с прямым подключением к переменному току создавали своим проектировщикам проблемы с дизайном и серьёзно ограничивали оптимизацию эксплуатационных характеристик и форм-фактора светильника.
Теперь улучшенная архитектура подключения светодиодных систем к переменному току обеспечивает конкурентоспособность и свободу дизайна. Но стала ли приемлемой стоимость?
Зачем разрабатывать импульсный стабилизатор напряжения?
рис. 1: Простая реализация AC-direct
с четыремя светодиодами.
Обычный светодиод высокой яркости представляет собой низковольтное устройство, обычно имеющее прямое напряжение около 3 В. Питание от сети осуществляется при напряжении приблизительно 120 В или 240 В, в зависимости от стандартов выбранного региона.
Для светодиодного светильника требуется способ преобразовать сетевое напряжение к постоянному прямому напряжению светодиода или последовательности светодиодов, как правило, ниже 60 В.
Самый распространённый на сегодняшний день способ - использовать импульсный источник питания (SMPS), главным преимуществом которого является его отличный КПД, иногда превышающая 90%, в сочетании с его способностью в целях безопасности обеспечивать электрическую изоляцию.
Его эффективность является признаком его внутренней структуры (архитектуры импульсного преобразования), которая экономит энергию за счёт заряда-разряда индуктивностей и конденсаторов с очень высокой скоростью, таким образом сохраняя мощность на пике перепада напряжения переменного тока, а не рассеивая его, как делает простой линейный регулятор.
К сожалению, для такого вторичного источника требуются катушки индуктивности, трансформаторы и конденсаторы с достаточно большими габаритными размерами. Более того, тип конденсаторов (электролитический), используемый в таких источниках питания, имеет гораздо более ограниченный срок службы, ряд серьёзных температцрных и физических зависимостей и ограничений, по сравнению с другими компонентами, и обычно это один из основных компонентов электрической цепи в светодиодной осветительной системе. Также необходимы меры по борьбе с электромагнитными помехами и наводками (EMI), поскольку такой источник обычно имеет частоту переключения примерно 20 кГц или более и их воздействия могут вызывать нестабильность его выходных параметров или выход из строя.
Схема импульсного источника питания не может быть легко смонтирована на той же печатной плате (PCB), что и светодиоды. Одностороннее размещение компонентов на печатной плате с металлическим сердечником (MCPCB) делает трассировку очень сложной, а требуемые пассивные устройства, как правило, не доступны в корпусах для поверхностного монтажа (SMD, SMT и др.). Самый распространенный тип подложки печатных плат FR4 предлагает больше возможностей и свободы для трассировки, но усложняется изоляция и температурный режим такой печатной платы. В любом случае, если компоненты импульсного источника питания располагать на той же печатной плате, что и светодиоды, из-за габаритных размеров его компонентов, могут образовываться тени, если их поместить слишком близко к светодиодам.
Таким образом, решение SMPS является громоздким, создает некоторые трудности при проектировании и является относительно дорогостоящим как в расходах на материалы, так и в сборке.
Более простой подход заключается в том, чтобы, отказаться от импульсного источника питания
Вышеперечисленные проблемы подтолкнули производителей электронных компонентов и микросхем создать для управления питанием светодиодов микросхему с более простой архитектурой, которая управляет высоковольтными светодиодами непосредственно от сетевого напряжения без его преобразования.
рис. 2: Прямой сетевой блок питания последовательно
включает каждый светодиод до тех пор, пока они все
не будут освещены в пиковом напряжении.
Система управления питанием от переменного тока позволяет достичь этого, путём включения линеек светодиодов (или высоковольтных диодов) в определённой последовательности, следуя за мгновенным значением синусоидального напряжения. Примером подходящих светодиодов для данного применения являются LUXEON 3535 HV от Lumileds, а также серии 5630 HV, 5250 HV и 3030N HV от LG Innotek.
Простейшая реализация концепции схематически показана на рисунках 1 и 2. Напряжение сети переменного тока выпрямляется (поэтому отрицательная половина цикла становится положительной). Этот выпрямленный выход представляет собой полусинусоидапьную волну с частотой 100 Гц, которая обычно колеблется между 0 В и около 325 В, если номинальное напряжение сети составляет 230 В.
В каждом полупериоде первый высоковольтный светодиод (или светодиодная цепочка) включается при достижении напряжения около 70 В, второй - при 140 В, третий при 210 В. Все четыре светодиода подсвечиваются до тех пор, пока выпрямленное напряжение находится на уровне 280 В или выше.
При данной схеме регулирования существует избыточное напряжение, которое должно рассеиваться через линейный регулятор, генерируя тепло.
Такие потери мощности неизбежно снижают эффективность системы, по сравнению с применением импульсных преобразователей. На практике, такая конструкция с прямым включением в сеть переменного напряжения может обеспечить общую эффективность системы до 100 Лм/Вт, по сравнению с 130 Лм/Вт для аналогичного светильника с использованием импульсного источника.
Лучшим примером простого и недорогого решения выступает светильник с галогенной лампой и дихроичным отражателем на 600 Лм, с типичной эффективностью системы около 10 Лм/Вт. Огромное сокращение потребления энергии даёт замена такой лампы на светодиодную высоковольтную лампу с питанием непосредственно от переменного напряжения.
рис. 3: Светодиодная лампа с использованием
схемы прямого регулирования AC.
Схема непосредственного включения значительно выигрывает в габаритных размерах, простоте конструкции и сборки по сравнению с аналогичным импульсным источником, так как требует только одной печатной платы (см. рис. 3) и габариты данной платы минимальны.
Тем не менее, помимо снижения эффективности, схема питания непосредственно от сети переменного напряжения имеет и недостатки, которые критичны в некоторых случаях.
Первый - это тепло. Как показано на рисунке 1, регулирование тока и рассеяние мощности сосредоточены в одной микросхеме. При нормальной работе это делает микросхему экстремально горячей. Это требует специальных мер, для избежания риска перегрева, включая использование платы с металлическим основанием, компоновки платы с большими расстояниями между компонентами.
Структура подключения светодиодов к микросхеме драйвера (непосредственного включения в цепь переменного напряжения) накладывает ограничения на размещение компонентов на плате, что в свою очередь сказывается на гибкости решения в плане компоновки и выбора компонентов. Так, например, оказывается достаточно непросто размещать компоненты в форм-факторе «полосы» или в форме люминесцентной лампы. Также схема оказывается ограниченной для реализации функции «диммирования».
Эти недостатки привели к разработке расширенной версии схемы регулирования светодиодов по принципу непосредственного включения: вместо централизованной реализации, показанной на рисунке 1, производитель силовых микросхем Ехаг (дочерняя компания iML) разработал распределённую архитектуру (рис. 4).
Принцип работы такой же, как и в централизованной схеме управления, описанной выше: светодиоды высокого напряжения включаются и выключаются последовательно в течение каждого полупериода питания. Но в распределенной схеме управления отдельная микросхема (например iML8684) регулирует каждую строку светодиодов высокого напряжения.
Для обеспечения баланса затрат и эффективности в основном используется схема трёхступенчатого регулирования (стремя светодиодными строками HV), но возможны варианты двух-, четырёхступенчатые схемы и даже более.
Основным преимуществом схемы распределённого управления является гибкость его проектирования. Например: в топологии электрических цепей она позволяет разработчику системы размещать различные схемы светодиодов и достигать наилучшего баланса между производительностью, функциональностью и стоимостью.
рис. 3: Светодиодная лампа
с использованием SMPS.
Распределенный подход позволяет выбирать практически любой светодиод, как из классических низковольтных типов, так и многодиапазонных высоковольтных светодиодов. Это дает разработчику гораздо более широкий выбор стилей компоновки и технических характеристик (световой поток, эффективность, цветовая температура и цветопередача).
Такой подход поддерживает компактные варианты реализации, где используется небольшое количество светодиодов с высоким потоком, а также конструкции с более рассеянным световым потоком с большим количеством светодиодов с низким световым потоком.
Применяя такой подход, становится возможным одновременное уменьшения мерцания (пульсаций светового потока), а также дает возможность плавного пуска, которая может быть достигнута распределённой структурой управления, описанной выше, или путём добавлением всего лишь одного конденсатора, что в свою очередь даёт возможность подключения внешних схем управления включением с детектированием перехода питающего напряжения через ноль.
Гибкость такой распределенной архитектуры для светодиодных систем также реализуется благодаря большей свободе выбора типа печатных плат, форм-факторов и вариантов компоновки.
Это объясняется тем, что распределённая архитектура может быть легко реализована полностью на основе компонентов поверхностного монтажа, а её простая электрическая схема может относительно легко быть размещена на односторонней печатной плате. В распределённой архитектуре тепло распределяется по всей плате более равномерно благодаря большему числу микросхем-драйверов, что устраняет точечный нагрев в традиционных светодиодных системах переменного напряжения.
Распределённые схемы могут использовать плату FR4, в то же время обеспечивая более компактную компоновку с меньшим расстоянием между компонентами. Кроме того, небольшие, низкопрофильные компоненты, используемые в распределенных схемах, позволяют конструктору реализовать светильники в любом форм-факторе, в том числе линейные полосы и однородные диффузные модули с однородным рассеянным светом без затемнённых зон.
рис. 4: Трехступенчатое регулирование с тремя
регуляторами IC и балластным транзистором является
наиболее распространённым способом реализации
распределенного AC-прямого регулирования.
Распределённая схема также даёт другие преимущества, по сравнению с централизованным регулированием. Топология Ехаг имеет иммунитет к броскам высокого перенапряжения (переходных процессов) >750 В.
В централизованной схеме, напротив, для защиты от всплеска напряжения требуется добавление больших дискретных металл-оксидных варисторов (MOV). Варисторы подвержены проблемам надёжности в долгосрочной перспективе, поскольку у них ограниченная способность поглощать энергию переходных перенапряжений, которые распространены в сети переменного тока и имеют ограниченное быстродействие. Более того, варисторы не всегда доступны в версиях для поверхностного монтажа и стоят дорого.
Озабоченность по поводу мерцания
Разработчики освещения выразили некоторую обеспокоенность по поводу мерцания светового потока, присущего централизованной и распределённой схемам. В обеих схемах светодиоды гаснут при каждом сетевом полупериоде (т. е. каждую 1/100-ую секунды, в сети с частотой 50 Гц), когда напряжение близко к 0 В.
Фактически, мерцание происходит в течение такого короткого интервала, который в большинстве решений не будет заметно пользователям. В недорогих решениях, для которых предназначено прямое подключение к сетям переменного напряжения, низкий уровень мерцания является, как правило, допустимым.
Добавление небольшого ёмкостного конденсатора может ослабить мерцание и одновременно повысить эффективность использования светодиодов, что позволяет сбалансировать часть дополнительных расходов на материалах в распределённой архитектуре.
Распределённая схема: компромисс между затратами и производительностью
Распределённая версия с прямым регулированием переменного тока, впервые разработанная и запатентованная компанией Ехаг, предоставляет разработчикам уникальную свободу для достижения оптимизации дизайна, а также обеспечивает большую степень контроля и большую гибкость между производительностью, функциональностью и стоимостью.
Простейшая реализация распределённого решения становится дешевле, чем централизованный подход, в то время как более сложные конструкции предлагают возможность добавить ценные дополнительные функции. Например, такие функции, как обнаружение присутствия или управление диммированием DALI могут быть реализованы в распределённой светодиодной системе переменного тока.
Каждый из вариантов исполнения имеет свои собственные требования к производительности и стоимости, но непревзойденная гибкость проектирования распределённого подхода заслуживает внимания разработчиков систем, которые хотят реализовать прямое подключение к сетям переменного напряжения в новом поколении недорогих светодиодных светильников.
Автор: Франсуа Миранд (технический директор Future Lighting Solutions Europe)|Оригинал статьи: www.electronicsweekly.com