Высоковольтные светодиоды повышенной яркости позволяют создавать высокоэффективные системы освещения, однако их применение связано с преодолением ряда технических проблем. В статье рассмотрена простая и компактная система управления высоковольтными светодиодами на базе корректора коэффициента мощности (ККМ), которая обеспечивает конкурентоспособное решение для систем освещения.
Высоковольтные светодиоды повышенной яркости, управляемые переменным током
Светодиоды повышенной яркости рассчитаны на питание непосредственно от сети переменного тока, однако при этом возникает ряд технических проблем, ограничивающих их широкое применение, а именно: низкая эффективность, малая величина коэффициента мощности и неудовлетворительная характеристика диммирования (регулировки яркости). На рисунке 1 показаны характеристики высоковольтных светодиодов повышенной яркости, управляемых переменным током. Главным недостатком таких систем является их пониженная эффективность. Причина состоит в том, что в полном рабочем диапазоне напряжений питания переменного тока (220 В ±10%) падение прямого напряжения светодиода должно быть установлено при наименьшем переменном напряжении. Это означает, что когда напряжение питания достигает верхнего предельного значения, то падение напряжения на токоограничивающем резисторе уменьшает эффективность системы. Кроме того, в результате генерируется тепло, что сокращает срок службы светодиода.
Время включения также представляет собой проблему в высоковольтных светодиодах повышенной яркости (см. рис. 1). Величина коэффициента мощности весьма мала, поскольку для генерации светового излучения (светодиоды могут проводить ток, только когда напряжение на нем достигает или превышает прямое напряжение) используется лишь небольшая часть всей синусоиды переменного тока (пиковое напряжение). Следовательно, светодиоды с управлением переменным током нельзя использовать для освещения жилых и коммерческих помещений. Кроме того, регулировка яркости возможна только в короткий промежуток времени, когда светодиоды находятся в проводящем режиме.
Решением этих проблем является управление высоковольтными светодиодами повышенной яркости непосредственно от повышающего источника питания с коррекцией коэффициента мощности. На рисунке 2 показана простая схема с повышением напряжения, в которой для примера используется ККМ компании TI [1], обеспечивающий высокое значение коэффициента мощности (более 0,97).
Высоковольтные светодиоды повышенной яркости с ККМ-управлением
Номинальные значения падения прямого напряжения светодиодов (например, светодиодов серии Everlight HiVo) перекрывают диапазоны 110 и 220 В переменного напряжения. На вход повышающего преобразователя с активным ККМ и двумя соединенными последовательно 220-В светодиодами можно подавать полный диапазон переменного напряжения питания (90–277 В). Соединяя светодиоды параллельно или последовательно, можно реализовывать различные конфигурации по потребляемой мощности и напряжению питания.
Универсальная схема позволяет реализовывать как 120-, так и 220-В приложения c помощью одного типа компонентов, однако это приводит к росту числа элементов в схеме и повышению стоимости по сравнению с отдельными решениями на 120 и 220 В. Это объясняется тем, что универсальная схема должна быть рассчитана на более высокое напряжение и ток, которые требуются для работы при напряжении питания 220 В.
При малом токе можно применять более долговечные и менее дорогие керамические конденсаторы, поскольку нужна меньшая величина накопительной емкости. Это позволяет отказаться от электролитических конденсаторов, что увеличивает срок службы источников света. В результате долговечность светодиодных источников может достигать 50 тыс. ч, по сравнению с 20 тыс. ч (или значительно меньше в случае перегрева) для обычных электролитических конденсаторов с длительным сроком работы. Это особенно важно для приложений, работающих в условиях высокой температуры, в том числе уличного освещения и светильников, установленных в промышленных помещениях с высокими потолками.Импульсные драйверы светодиодов позволяют достичь эффективности не менее 90%, которая может слегка изменяться в диапазоне входных напряжений. Импульсный источник питания светодиода (микросхема), управляющий полевой транзистор и выпрямитель могут уменьшить эффективность, однако, поддерживая приемлемую частоту коммутации (например, 150 кГц) потери на переключение в FET могут быть минимизированы. Кроме того, низкий ток позволяет минимизировать потери мощности в выпрямителе.
Коррекцию коэффициента мощности можно обеспечить несколькими способами, хотя некоторые из них имеют недостатки (см. табл. 1). Чтобы применить метод, проиллюстрированный рисунком 1, для управления низковольтными светодиодами, входное напряжение должно быть вначале повышено для коррекции коэффициента мощности, а затем уменьшено до напряжения прямого падения на цепочке светодиодов. Этот метод довольно сложен и дорог, а преобразование высокого ККМ-напряжения в ток светодиода может потребовать дополнительные силовые каскады.
Таблица 1. Методы коррекции коэффициента мощности
| Метод | Решение | Недостатки |
| Активная | Микросхема со встроенным алгоритмом для согласования тока потребления с входным напряжением | – |
| Пассивная (Valley-fill) | Использование диодов и накопительных конденсаторов для питания током, когда на входе происходит переходной процесс | Ограниченный срок службы драйвера, поскольку в схеме используются электролитические конденсаторы |
| Обратноходовая | Импульсный источник питания в обратноходовой конфигурации, работающий в прерывистом режиме |
|
Более распространенным подходом является использование низковольтного драйвера светодиода на базе трансформатора, как показано на рисунке 3. При таком методе используется источник питания в обратноходовой топологии, работающий в прерывистом режиме, с коэффициентом преобразования трансформатора, позволяющим согласовать соотношение напряжений V IN/Vf. Однако у такой топологии имеется ряд недостатков:
- увеличенная стоимость из-за повышенной сложности системы;
- нельзя использовать универсальный вход переменного тока;
- отраженное напряжение и потери магнитного потока трансформатора увеличивают электромагнитные помехи (ЭМП);
- требуются высоковольтные накопительные конденсаторы с ограниченной долговечностью;
- более высокие токи (из-за низких напряжений) повышают рабочую температуру, увеличивают размеры силовых компонентов и ограничивают световой выход светодиодов.
Использование существующих систем регулировки яркости
Важным качеством, которое отличает светодиоды с ККМ-управлением от светодиодов, работающих в автономном режиме, и компактных люминесцентных ламп, является возможность использования существующих систем регулировки яркости на базе триака. Регулировка яркости достигается путем измерения характеристик переменного тока и преобразования полученного результата в эквивалент напряжения или тока. Значения напряжения или тока могут быть непосредственно заданы источником питания или преобразованы в ШИМ-сигнал, который позволяет регулировать время рабочего состояния светодиода, в результате чего и происходит регулировка его яркости. Чтобы диммер работал в проводящем режиме, необходимо обеспечить достаточную нагрузку и предотвратить пропуски запуска триака (мерцание). Переменный сигнал частотой 60 Гц может оказывать влияние на напряжение питания светодиода, поэтому обязательным условием является установка фильтра в цепи переменного тока. Фильтрация позволит также ограничить распространение кондуктивных ЭМП обратно в сеть переменного тока.
Наименее затратным способом регулировки яркости, который требует минимального числа компонентов, является использование аналогового напряжения или тока в цепи обратной связи драйвера. Однако у этого метода тоже имеется ряд недостатков:
- недостаточная стабильность замкнутой цепи ШИМ-управления импульсного источника питания;
- осцилляции и звон во время переходных процессов по напряжению приводят к мерцанию светодиодов;
- аналоговая регулировка яркости снижает ток через светодиод, вызывая изменение цвета свечения в процессе регулировки яркости (например, светодиод сине-белого цвета при максимальном токе может поменять цвет на желто-белый при низких токах).
Сохранить постоянным цвет светодиода в диапазоне регулировки яркости можно с помощью цифрового метода диммирования (например, при ШИМ-регулировке). При таком методе ток светодиода остается постоянным, а изменение яркости свечения происходит потому, что светодиод включен ограниченное время. Это достигается путем коммутации цепочки светодиодов параллельно включенным FET или путем отсоединения светодиодов от потенциала земли с помощью включения токочувствительного резистора параллельно FET.
В заключение необходимо отметить, что высоковольтные светодиоды повышенной яркости с ККМ-управлением обеспечивают обоснованную альтернативу системам освещения на базе компактных люминесцентных ламп. Преимущества простой, компактной и эффективной системы с высоким коэффициентом мощности обеспечивают конкурентоспособность данного решения для систем освещения.
Литература
1. Dave Priscak. Innovative PFC-driven, high-voltage, high-brightness LED lighting solution//ledlighting-eetimes.com
Источник: www.russianelectronics.ru
