Драйвер с активной коррекцией коэффициента мощности обеспечивает регулировку яркости светодиодных ламп


PDF версия

В статье обсуждаются проблемы построения драйверов светодиодных ламп, предназначенных для замены традиционных ламп накаливания и галогенных ламп. Рассматривается схема драйвера с активной коррекцией коэффициента мощности, которая позволяет реализовать регулировку яркости свечения светодиодных ламп, используя существующую осветительную инфраструктуру. Статья представляет собой перевод [1].

Галогенные лампы и лампы накаливания, хоть и популярные в настоящее время, представляют собой одну из главных экологических проблем и, кроме того, являются существенным резервом энергосбережения на планете. Эти лампы потребляют большое количество энергии и обычно выходят из строя после всего нескольких сотен часов эксплуатации. Последние поколения светодиодов высокой яркости обеспечивают серьезную альтернативу таким лампам — они потребляют намного меньше энергии и могут работать примерно в десять раз дольше. Однако, проектирование твердотельных ламп на базе светодиодов для замены популярных галогенных ламп и ламп накаливания, таких как MR16, PAR20, A19 и др., связано с рядом проблем. Светодиодные лампы замены (retrofit lamps) должны работать вместе с существующими диммерами (устройствами регулировки яркости) на базе триака, а драйвер светодиодов должен иметь достаточно компактные размеры, чтобы была возможность использовать его в весьма ограниченном пространстве. Новые драйверы с активной коррекцией коэффициента мощности позволяют реализовывать проекты на базе надежных твердотельные лампы замены с регулировкой яркости свечения.

Основными требованиями при проектировании светодиодных ламп замены являются следующие.

– Лампы замены должны подходить к тому же гнезду, что и лампа накаливания; это означает, что они должны иметь такой же форм-фактор.

– Они должны обеспечивать рассеивание большого количества мощности, генерируемой светодиодами, с помощью теплоотвода и работать при высоких температурах, сохраняя при этом высокую надежность и долговечность.

– Они должны быть электрически совместимы с существующей осветительной инфраструктурой (электропроводкой, диммерами и т.д.).

Драйверы светодиодов предыдущего поколения могли обеспечить реализацию светодиодных ламп замены, отвечающих первому требованию, однако большинство драйверов не имеют цепей, на базе которых можно было бы выполнить третье условие при использовании диммера на базе триака. Кроме того, драйверы могут испытывать проблемы при длительной работе при высокой температуре из-за ограничений по сроку службы электролитических конденсаторов. Тем не менее, драйверы последнего поколения, например, такие которые предлагаются компанией Maxim, включают в себя дополнительные цепи для регулировки яркости свечения светодиодов и обеспечивают функциональные возможности, аналогичные галогенным лампам и лампам накаливания. В то же время, эти драйверы позволяют использовать, по-видимому, основное преимущество современной светодиодной технологии — длительный срок службы светодиодных ламп, и, как следствие, малые затраты на их замену.

 

Как обеспечить соответствие существующему форм-фактору

Существующий форм-фактор имеет ограничения как по физическим размерам (т.е. плата драйвера должна быть достаточно компактна), так и тепловые ограничения для светодиодных ламп замены. Оба этих ограничения особенно трудно преодолеть для форм-факторов MR16 и GU10, но они также представляют проблему и для других ламп замены, в том числе PAR, R и A19.

Несмотря на то, что размеры весьма важны для ламп замены, тепловые ограничения часто являются более критичным фактором. Светодиоды испускают только видимый свет; они не излучают энергию в инфракрасном диапазоне длин волн, как устройства на базе других технологий. Поэтому, несмотря на то, что светодиоды более энергоэффективны, чем лампы накаливания и галогенные лампы, они рассеивают намного больше тепла в лампе. Рассеиваемое тепло представляет собой также основной фактор, ограничивающий величину света, которую может произвести лампа. Современная светодиодная технология для ламп замены обеспечивает уровень яркости, приемлемый только для массового рынка. Преодоление ограничений по яркости и возможности отведения тепла является существенно важным условием при проектировании коммерчески успешных продуктов.

Следствием рассеиваемого тепла является ограничение срока службы печатной платы драйвера. Для того, чтобы излучать больше света, лампа должна работать при довольно высокой температуре — часто от 80 до 100°C. При такой температуре срок службы платы драйвера может влиять на долговечность лампы в целом. Кроме того, особую проблему представляют собой электролитические конденсаторы, которые используются в драйвере. Так как при таких температурах они довольно быстро высыхают, то их срок службы ограничен немногим более 10000 часами, и это становится лимитирующим фактором для длительности работы всей лампы.

График на рисунке 1 показывает пример деградации ресурса светодиодной лампы (для срока службы B50/L70, т.е когда 50% светодиодов теряют по меньшей мере 30% своей яркости) в зависимости от внутренней рабочей температуры лампы. Как можно видеть, при температуре около 80°C срок службы уменьшается для ламп, использующих электролитические конденсаторы по сравнению с лампами, которые их не используют. При температуре 100°C срок службы ламп с электролитическими конденсаторами существенно уменьшается.

Долговечность — это основной коммерческий аргумент для светодиодных ламп и, возможно, основная причина интереса бизнеса к светодиодному освещению, ведь длительный срок службы означает намного меньшие затраты на замену ламп, что может являться существенной компенсацией за более высокие цены на светодиодные лампы. По этой причине, производителям ламп необходимо обеспечить их срок службы более 10000 часов, если они намерены создать коммерчески успешный продукт.

Рис. 1. При увеличении внутренней температуры лампы ее срок службы уменьшается. Лампы, использующие электролитические конденсаторы на платах драйверов (красная линия) имеют меньший срок службы, чем лампы без электролитических конденсаторов (синяя линия)

Совместимость с электрической инфраструктурой

Светодиодные лампы для замены традиционных ламп должны надежно работать в инфраструктуре, которая может включать диммеры на базе триака и электронные трансформаторы.

Диммеры на базе триака снижают интенсивность света, генерируемого лампой, присоединенной к ним в качестве нагрузки, так как в начале каждого периода переменного напряжения питания лампа выключается. Диммер отключается на интервал времени, который может быть отрегулирован, а затем включается вновь и находится в этом состоянии в течение оставшегося времени полуцикла. В результате форма напряжения, подаваемого на лампу, приобретает вид, показанный на рисунке 2.

Диммеры на базе триака спроектированы для работы с лампами накаливания и галогенными лампами, которые представляют собой чисто резистивную нагрузку. По сути, они имеют те же требования по нагрузочному току, что и обычная резистивная нагрузка.

Во время интервала отключения диммер не может иметь в качестве своей нагрузки открытую цепь. Диммеры обычно имеют RC-цепь, которая определяет время отключения, и нагрузка (лампа) лишь обеспечивает путь для протекания тока через эту RC-цепь.

После окончания времени отключения диммеры защелкиваются. Для того, чтобы оставаться в этом режиме оставшееся время полуцикла входного напряжения нужно обеспечить некоторую величину тока нагрузки для диммеров. Если ток падает ниже этой величины, диммеры выключаются, в результате чего наблюдается мерцание лампы. Кроме того, проблему могут вызывать большие выбросы тока нагрузки, так как они могут вызывать падение тока в нагрузке ниже минимально допустимого уровня. Светодиодные лампы, не рассчитанные на регулировку яркости, не способны работать корректно с диммерами на базе триака. Внутренняя схема драйвера обычно включает выпрямитель, который преобразует входное переменное напряжение в постоянное, и понижающий или обратноходовой преобразователь. Входной ток такого драйвера содержит короткие и высокие выбросы, повторяющиеся на каждом полуцикле входного напряжения. Такая форма входного тока не совместима с диммером на базе триака. Фактически, лампы вообще не включаются, если их использовать с диммерами на базе триака.

Для ламп с входным напряжением 12 ВAC электрическая инфраструктура еще более сложна, так как электронный трансформатор и диммер могут быть вместе подсоединены ко входу лампы.

Электронные трансформаторы обычно содержат генераторную схему, которая модулирует входное 50/60-Гц напряжение частотой около 40 кГц. Полученная высокая частота проходит через трансформатор, который обеспечивает изоляцию и преобразует входное напряжение 120/230 ВAC в выходное напряжение 12 ВAC. Модулируя входное напряжение высокой частотой, можно сделать намного более компактный трансформатор, тем самым снижая размеры, вес и стоимость продукта.

Подобно диммерам на базе триака, электронным трансформаторам нужно обеспечить определенный ток нагрузки для того, чтобы он был включен во время полного цикла изменения входного напряжения. Если величина нагрузочного тока недостаточна или он имеет значительные выбросы, трансформатор может выключиться, что вызывает мерцание света. По той же причине обычный драйвер на базе AC/DC-преобразователя может быть несовместим с трансформатором и диммером и вызывать мерцание лампы.

Рис. 2. Типичный вид выходного напряжения (вертикальная ось) в зависимости от времени (горизонтальная ось) для диммера на базе триака

Активная коррекция коэффициента мощности для светодиодных ламп с регулировкой яркости

Теперь рассмотрим схему драйвера с регулировкой яркости для автономных 120-ВAC ламп, хотя многие из обсуждаемых положений применимы к лампам, рассчитанным на 240-ВAC вход.

Как было описано выше, для регулирования яркости светодиодных ламп и совместимости с электронными трансформаторами большое значение имеет форма сигнала входного тока лампы.

Другим типичным требованием для светодиодных ламп является необходимость контроля формы сигнала входного тока и коррекция коэффициента мощности. Для светодиодных ламп необходимо обеспечить коэффициент мощности не менее 0,7 для большинства систем освещения в жилых помещениях и не менее 0,9 — для промышленных зданий.

Так как проблемы регулировки яркости и коррекции коэффициента мощности похожи, то, видимо, имеется решение, которое может решить сразу обе. В данной статье в качестве наилучшего решения предлагается активная коррекция коэффициента мощности. Есть несколько причин, почему в данном случае активная коррекция коэффициента мощности более предпочтительна, чем пассивная.

– С помощью активной коррекции коэффициента мощности легко достичь коэффициента мощности 0,9. С помощью пассивной коррекции коэффициента мощности довольно просто получить 0,7, но достижение коэффициента мощности 0,9 представляет собой намного более сложную задачу.

– Активная коррекция коэффициента мощности обеспечивает весьма точное регулирование входного тока, и, следовательно, позволяет поддерживать величину входного тока выше уровня, требуемого для корректной работы диммера во время всего цикла входного переменного напряжения. При пассивной коррекции коэффициента мощности входной ток остается нулевым или близким к нулевому в течение определенного интервала времени и/или иметь фазу, сдвинутую относительно входного напряжения.

– Пассивная коррекция коэффициента мощности, в особенности если она реализована по схеме valley fill, вызывает всплески во входном токе, что может вызывать мерцание ламп, как было сказано выше. При активной коррекции коэффициента мощности можно снизить амплитуду выбросов входного тока.

Выбор топологии с фиксированной или переменной рабочей частотой

Разработчик также сталкивается с необходимостью выбора топологии импульсного стабилизатора с фиксированной рабочей частотой и с переменной частотой, например, работающей в режиме transition mode, а также выбора между режимом непрерывной проводимости (continuous conduction mode) и режимом прерывистого тока индуктора (discontinuous mode или transition mode).

Фиксированная частота обеспечивает преимущество в возможности контроля электромагнитных помех. При такой топологии разработчик должен обеспечить фильтрацию электромагнитных помех только на одной частоте, в то время как в схеме с переменной рабочей частотой (например, в схеме, работающей в режиме transition mode) генерирование помех происходит в широком диапазоне частот, что затрудняет их фильтрацию.

Режим непрерывной проводимости имеет преимущество в том, что обеспечивается низкий уровень пикового тока и снижаются потери на проводимость, которые увеличиваются пропорционально квадрату величины тока. В режиме прерывистого тока потери на переключение меньше, так как MOSFET включается при нулевом токе в катушке/трансформаторе. Но увеличение потерь проводимости в режиме непрерывной проводимости часто имеет большую величину, чем разница в потерях на переключение.

Решение, блок-схема которого показана на рисунке 3, использует однокаскадное преобразование для того, чтобы минимизировать размеры и стоимость драйвера светодиодной лампы. В схеме используется активная коррекция коэффициента мощности и фиксированная рабочая частота в режиме непрерывной проводимости.

В данном решении входной ток имеет форму прямоугольного сигнала с той же частотой, что и входное напряжение. Амплитуда сигнала тока имеет максимальную величину в течение всего периода входного переменного напряжения с тем, чтобы выполнялись требования диммеров на базе триака. Прямоугольная форма сигнала тока получается благодаря управлению его средним значением и сохранению его величины постоянной во всем периоде выпрямления входного напряжения. Резистор R1 контролирует ток через MOSFET, который по существу равен входному току, а с помощью резистора R2 и конденсатора C2 фиксируется среднее значение тока и передается на микросхему MAX16834, которая поддерживает эту величину постоянной благодаря цепи обратной связи контура управления.

Как было сказано выше, для драйвера светодиода, совместимого с диммером на базе триака, необходимо, чтобы он представлял собой резистивную нагрузку во время отключения диммера. В данной схеме резистор R3, транзистор Q1 и блок управления пусковым током обеспечивают это требование, регулируя входное сопротивление всякий раз, когда входной ток драйвера падает ниже определенного уровня.

Цепь смещения обеспечивает напряжение питания 15 В для микросхемы MAX16834. При запуске схема линейного стабилизатора формирует это напряжение из источника питания переменного тока. Как только микросхема начинает переключаться, вторичная схема питания начинает генерировать это напряжение с помощью преобразователя уровня, который питается от переключающего узла и блокирует линейный стабилизатор. Такая схема вторичного питания позволяет увеличить эффективность данного решения, так как она предотвращает чрезмерное рассеивание мощности линейным стабилизатором.

Данная схема использует неизолированную понижающую топологию, включающую катушку L2, диод D1 и транзистор Q2. Можно создать похожую схему, в которой используется обратноходовая изолированная топология. Поэтому данное решение работает независимо от того, реализована ли изоляция светодиодной лампы от входного напряжения в драйвере или в корпусе лампы.

Рис. 3. Блок-схема драйвера светодиода без электролитических конденсаторов

Возможность отказа от электролитического конденсатора

Электролитический выходной конденсатор C3 является опциональным для этой схемы. Если он используется, тогда ток светодиод имеет низкий уровень пульсаций с частотой, удвоенной по сравнению с частотой входного напряжения. Если использовать керамический конденсатор меньшей емкости, то ток светодиода имеет форму выпрямленной синусоиды с частотой, удвоенной по сравнению с частотой входного напряжения, но в этом случае срок службы лампы может быть увеличен до 50000 часов и более, так как в схеме отсутствуют электролитические конденсаторы.

Схема, описанная выше, была протестирована на демонстрационной плате с входным питанием 120 ВAC/60 Гц и девятью светодиодами на выходе общей мощностью 12 Вт. Схема была испытана с разнообразными диммерами от ведущих производителей, в том числе Lutron, Panasonic, Leviton, Cooper и GE.

При использовании выходных электролитических конденсаторов такой драйвер обеспечивает уменьшение яркости светодиодов до нулевой интенсивности без мерцания. Без электролитических конденсаторов данная схема позволяет снизитьт яркость до уровня 5% от максимальной интенсивности свечения без мерцания. Эффективность схемы составила 83%, а коэффициент входной мощности — 0,93.

Проектирование светодиодных ламп замены представляет собой сложную задачу. Они должны соответствовать физическим размерам и существующей электрической инфраструктуре, созданной для ламп накаливания и галогенных ламп, которые имеют весьма разные требования и ограничения. Производители ламп могут решить эту проблему с помощью драйвера на базе каскада с активной коррекцией коэффициента мощности и обеспечить регулировку яркости свечения на базе триака. Производитель светодиодной лампы может сделать выбор характеристик регулировки яркости, подбирая выходной конденсатор, а также оптимизировать схему для работы в течение более длительного срока службы или лучшей регулировки яркости при низкой интенсивности свечения.

Литература

1. Piero Bianco. Active PFC driver design enables dimmable retrofit lamps//LEDs Magazine, July/August 2010.

 

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *