Новые подходы к регулировке яркости и управлению светодиодами

За последние 20 лет технология светодиодов достигла серьезных успехов. В области визуализации и освещения светодиоды начали постепенно замещать обычные лампы накаливания и галогенные лампы. Чтобы полностью использовать возможности светодиодной технологии, недостаточно совершенствовать характеристики светодиодов и производить их с меньшими затратами, важно также улучшать точность управления и регулировку яркости их свечения, а значит, внедрять новые интеллектуальные технологии драйверов. Развитие новых технологий управления светодиодами должно идти в ногу с эволюцией самих светодиодов.

Однако, как признано многими специалистами в области систем светодиодного освещения, трудностей при применении светодиодов так же много, как и преимуществ при их использовании. Возможные отклонения в технологическом процессе изготовления светодиодов по цвету свечения, световому потоку и прямому напряжению, а также сдвиг этих параметров при изменении тока и температуры усложняют построение качественной системы освещения. Для преодоления или хотя бы для минимизации этих проблем специалисты разрабатывают новые технологии управления и драйверы светодиодов, обладающие специфическими свойствами и функциями, а также интеллектуальные методы регулировки яркости светодиодов.

Методы регулировки яркости светодиодов

В настоящее время, несмотря на появление систем сетевого типа (DMX, DALI и др.), 95% всех существующих систем регулировки яркости представляют собой одноканальные настенные диммеры с отсечкой фазы и нет признаков того, что они скоро уйдут с рынка. Больше того, их продажи продолжают расти. В США установлено более 150 млн обычных диммеров, работающих совместно с лампами накаливания. Причинами широкого внедрения диммеров стали желание улучшить эстетическое восприятие освещения и возможность экономии энергии с помощью регулировки яркости свечения. Однако с внедрением законодательных норм, запрещающих использование обычных ламп накаливания, в качестве их замены все более широко будут использоваться светодиодные лампы. Но, к сожалению, пока совместимость светодиодов с существующей технологией регулировки яркости далека от идеальной.

Сегодня используются два основных типа диммеров с отсечкой фазы: диммеры с отсечкой по переднему фронту полуволны переменного напряжения (LEDIM) и диммеры с отсечкой по заднему фронту полуволны переменного напряжения (TEDIM) (см. рис. 1). Технология LEDIM доминирует, главным образом, в Северной Америке. Считается, что технология TEDIM, которая весьма популярна в Европе и других странах мира, лучше приспособлена для работы с низковольтными галогенными лампами, использующими электронные трансформаторы. В LEDIM в качестве активного элемента обычно используют триак или триак/диак, а TEDIM имеет более сложную схему и использует в качестве активных приборов MOSFET или IGBT. Можно сказать, что в LEDIM используется активное состояние «включено», а в TEDIM — активное состояние «выключено» — по отношению к начальной точке (0 градусов) каждой полуволны. Следует отметить, что в TEDIM генерируется немного меньший уровень собственного шума, т.к. в активном выключенном состоянии формируется меньше импульсных помех.

Рис.1. Виды регулировки яркости светодиодов с отсечкой фазы

Специальные стандарты регламентируют определенные свойства, ожидаемый срок службы, распределение тепла и света для систем освещения и светодиодных в том числе (например, стандарты IES LM-79 и LM-80 по измерениям параметров светодиодов). Однако нет специальных стандартов по характеристикам регулировки яркости освещения. На практике регулировку яркости системы освещения оценивают по характеристикам типового диммера при работе на нагрузку в виде лампы накаливания. Психо-визуальное восприятие средним потребителем этой характеристики показывает ее линейность и отсутствие мерцаний, что преимущественно определяется тепловой инерцией нити лампы накаливания и инерционностью системы зрения человека.

Зависимость между выходной оптической мощностью лампы и визуальным восприятием человека является логарифмической при снижении уровня яркости лампы накаливания от 100 до 0%. Однако когда регулируют яркость светодиодных светильников, они могут полностью выключиться при 10—20% уровне яркости из-за требований по минимальному напряжению источников питания. Поэтому при низких уровнях мощности возможна переходная область, в которой может возникнуть мерцание светодиодов из-за особенностей ШИМ-регулировки.

Оптимальным решением для регулировки яркости является интеллектуальное линейное управление. Этот метод обеспечивает совместимость практически со всеми типами диммеров различных производителей и позволяет плавно регулировать яркость во всем диапазоне. Компания Light Based Technologies (LBT) предложила метод регулировки яркости, который основан на программном масштабировании характеристики светильника, что позволяет более точно управлять яркостью в определенной области диапазона регулировки.

Метод увеличивает разрешение регулировки яркости в нижней части диапазона регулировки. В результате 20—50% полного диапазона регулировки распределяются по всему доступному диапазону настройки (см. рис. 2). Это не зависит от входного устройства пользователя или диммера и обеспечивает более точный контроль параметров освещения. Интерфейсом управления в этом случае может быть поворотный потенциометр, линейный регулятор, емкостной датчик или сенсорный интерфейс.

Рис.2. Расширение диапазона регулировки яркости

Другим набором решений в области интеллектуального линейного управления освещением является возможность выбора характеристики регулировки, в том числе логарифмической, линейной и пользовательской. На рисунке 2 показаны три кривые S-типа с различными максимальными уровнями регулировки. Например, режим C был бы идеальным для ресторанов в часы приема посетителей, а режим A больше подходит для уборки помещений после работы и для утренней подготовки помещений. Режим C позволил бы создать ту световую атмосферу в ресторане, которая необходима в каждом конкретном случае.

Другим аспектом линейного управления является то, что ток светодиода устанавливается, как правило, на более низком уровне, чем при ШИМ-регулировке, когда меняется рабочий цикл и ток усредняется. В результате потребляется меньше энергии и увеличивается эффективность системы.

Использование интеллектуального линейного управления обеспечивает и другие преимущества, в особенности для приложений, где необходима регулировка яркости низкого уровня. В этом случае хорошо известное «падение» на выходе светодиодов при высоких токах отсутствует благодаря снижению мгновенного тока перехода, поэтому энергоэффективность улучшается на 30—40% при снижении яркости лампы.

Большинство топологий импульсных источников питания или драйверов светодиодов содержат первичные и вторичные цепи, которые обычно электрически разделены трансформатором или обратноходовой катушкой индуктивности. Почти все основные полупроводниковые компании, которые выпускают микросхемы управления источниками питания или драйверами светодиодов, используют схожие технологии управления в первичной цепи. Однако прямое управление источников питания иди драйверов светодиодов во вторичной цепи имеет ряд практических преимуществ, что видно на примере технологии LB4 компании Light Based Technologies.

Компания LBT использует запатентованный метод, который уменьшает задержку и позволяет осуществлять управление светодиодами в режиме реального времени. Использование контроллера с непосредственной нагрузкой во вторичной цепи также обеспечивает точную передачу тока в нагрузку. Кроме того, такой метод требует использования меньшей емкости на выходе, поскольку стабилизация улучшена, что дополнительно снижает стоимость устройства.

Ток удержания диммера

Другой фактор, который следует учитывать при использовании диммеров для регулировки светодиодных систем, заключается в том, что все диммеры на базе триака с отсечкой по переднему фронту (LEDIM) требуют тока удержания из-за особенностей работы компонентов схемы. Дело в том, что они полностью выключаются, когда ток перестает протекать по схеме, что вызывает мерцание света или даже полное отключение светодиодов. Это может происходить периодически, каждый раз, когда сигнал переменного тока достигает области нулевого напряжения.

Во многих схемах ток удержания может быть создан с помощью небольшой резисторной нагрузки, но величина его фиксирована во время работы, что непроизводительно тратит энергию. Действительно, эффективная схема генерирования тока удержания должна включаться только тогда, когда ток нагрузки недостаточен, и при этом только в нужное время. Это требует создания динамической схемы, которая выполняет свои функции более эффективно. Такая схема была предложена компанией LBT. Это решение учитывает, что требования к току удержания триака могут в значительной степени меняться в зависимости от мощности компонентов схемы, отклонений параметров полупроводниковых материалов и конструкции компонентов.

На рисунке 3 показаны результаты моделирования схемы на Spice, иллюстрирующие динамическую и периодическую характеристики метода компании LBT. Реальная величина динамического тока удержания (ток на R42) определяется как требованиями нагрузки, так и требованиями отдельного триака или полупроводникового прибора, регулирующего яркость светодиода. В интервале 8…11 мс рабочего цикла наблюдаются достаточно низкий импеданс и весьма малый ток, которые отвечают минимальным требованиям триака. Сигнал полуволны переменного напряжения диммера LEDIM-типа (после выпрямителя, но до фильтрации) показан в верхней части рисунка 3 для сравнения при 25-% снижении яркости.

Рис.3. Иллюстрация динамического тока удержания

Диммеры с отсечкой по заднему фронту (TEDIM) также требуют токов удержания, но по другим причинам. Активными устройствами в этом случае обычно являются транзисторы — MOSFET или IGBT. Эти приборы также отключаются при отсутствии падения напряжения на них, что периодически происходит. Переход в состояние «отключено» будет постепенным, а не мгновенным. В результате без достаточного тока удержания диммеры будут работать неустойчиво, что также вызывает необходимость динамического удержания тока, чтобы обеспечить плавную работу и максимальную энергоэффективность.

Энергоэффективность

Каждый компонент в системе светодиодного освещения имеет потери энергии, включая драйвер/источник питания, сами светодиоды, оптику (линзу или диффузоры) и рефлекторы. Кроме того, неоптимальное управление отведением тепла может вызывать постепенное изменение, обычно в сторону снижения, светового выхода светодиода. Как следствие, когда какой-либо из этих компонентов увеличивает свою эффективность хотя бы на единицы процентов, увеличение общей эффективности системы оказывается заметным.

Эффективность источника питания/драйвера светодиода можно определить с помощью выражения:
W = Pout/Pin = V . Iout/V . Iin.

Эффективность светодиодов выражается в лм/Вт. Показатель преломления линзы: n = v1/v2, где v1 — скорость света в вакууме, v2 — скорость света в среде, а показатель общей светопроницаемости: t(%) = lm out . 100/lm in, где
lm out — световой поток на выходе,
lm in — световой поток на входе.

Учет эффективности в диапазоне регулировки яркости является необходимым условием разработки системы. Какова эффективность диммеров, установленных в настоящее время повсеместно? Устаревшие диммеры использовали резистивные элементы, которые обеспечивают потери мощности, в то время как современные диммеры используют ключи, в частности типа MOSFET. Однако везде используются последовательные сопротивления, на которых теряется мощность в виде тепла. Во время нормальной работы диммеры нагреваются. Электрическая эффективность диммеров с отсечкой фазы составляет обычно 99%. Оставшийся 1% рассеивается в диммере в качестве тепла. Поэтому диммер на 600-Вт нагрузке производил бы примерно 6 Вт тепла, а 1-кВт нагрузка дает 10 Вт тепла. Согласно спецификациям UL/CSA предельная температура поверхности, рассеивающей тепло, должна составлять не более 60°C.

Коррекция коэффициента мощности

Коэффициент мощности показывает степень совпадения фазы напряжения и тока, потребляемого в нагрузке, для каждого полуцикла синусоидального сигнала переменного тока. Точное совпадение фазы напряжения и тока происходит в случае чисто резистивной нагрузки. Коэффициент мощности равен отношению активной мощности к полной мощности, потребляемой нагрузкой. Разные типы нагрузки могут вызывать опережение или запаздывание фазы тока относительно напряжения.

Диммеры всех типов оказывают сильное влияние на коэффициент мощности для всех типов нагрузки (емкостной, индуктивной, резистивной, линейной, нелинейной или комбинированной). Это объясняется тем, что обычно диммеры отсекают фазу напряжения относительно тока, что вызывает разбаланс нагрузки и гармонические искажения в линии переменного тока (см. рис. 4).

Рис.4. Коэффициент реактивной мощности искажений, вызванных нелтнейной/комплексной нагрузкой

Коэффициент реактивной мощности искажений определяет, насколько гармонические искажения тока нагрузки уменьшают среднюю мощность, передаваемую в нагрузку. Коэффициент реактивной мощности искажений можно определить из выражения:

,

где THD — общие гармонические искажения тока нагрузки.

Это определение допускает, что напряжение остается неискаженным (синусоидальным). Это допущение часто используется на практике и дает хорошую аппроксимацию. I1rms — среднее квадратическое значение основной гармоники тока, а Irms — среднее квадратическое значение общего тока. Коэффициент мощности получается умножением коэффициента реактивной мощности искажений на отношение этих токов:

.

Низкий коэффициент мощности часто незаметен для домашнего пользователя, однако в условиях промышленных предприятий можно заметить повышенный расход энергии. Если, например, нагрузка является в высокой степени индуктивной, то следует установить емкостные переключатели для компенсации этих потерь мощности. Если речь идет о жилых помещениях, то предприятия коммунального обслуживания должны потратить определенные средства для коррекции возможного разбаланса нагрузки через свою распределительную сеть.

Драйверы светодиодов и импульсные источники питания представляют собой нелинейную или комплексную нагрузку и требуют коррекции коэффициента мощности (ККМ) для того, чтобы снизить несинусоидальные искажения тока из-за чрезмерной энергии гармоник на сетевой частоте (см. рис. 4).

Европейский стандарт EN61000-3-2 регламентирует содержание гармоник и базовые критерии ККМ для всех импульсных источников питания. Пассивная ККМ в источниках питания и драйверах для светодиодов обычно построена по схеме, включающей конденсаторы, резисторы и управляющие диоды. Активная ККМ также использует распределение тока по полуволне переменного напряжения. Необходимо решить проблему стабилизации на нагрузке без отрицательного влияния на ККМ или сделать нагрузку, близкую к линейной. Для этого обычно используют двухкаскадную топологию источника питания/драйвера светодиода, например, повышающую, понижающую или понижающе-понижающую.

Новый подход к управлению светодиодов

Драйверы светодиодов, независимо от того, дискретные они или интегральные, можно разделить на три группы: драйверы постоянного тока, драйверы постоянного напряжения и ШИМ-драйверы. Каждый из этих видов драйверов имеет свои преимущества и недостатки. С помощью драйвера постоянного тока можно обеспечить наилучший контроль светодиодной системы, но схема существенно усложняется, когда необходимо управлять индивидуально многими светодиодными каналами. Драйверы постоянного напряжения являются простым способом управления, когда нужно, чтобы светилась только одна цепочка светодиодов, но когда требуется равномерная яркость нескольких цепочек светодиодов, применение этого метода менее предсказуемо. ШИМ-метод становится стандартным методом для регулировки яркости светодиодов и смешивания цветов, но все же требует компенсации распределения прямого напряжения светодиодов, что приводит в конечном итоге к потере мощности. Используя динамические режимы управления, в том числе активную регулировку яркости, управление светодиодной системой становится более сложным и, следовательно, менее экономически выгодным.

Перед разработчиками систем освещения всегда встает вопрос: какая величина тока при данной температуре требуется отдельному светодиоду для того, чтобы он светился достаточно ярко, а интенсивность свечения всех светодиодов была равномерной? Ответ на этот вопрос удивительно прост: независимо от температуры следует передать светодиоду ту величину тока, которая ему требуется, но при этом необходим контроль времени свечения светодиода.

Представим светодиоды, соединенные параллельно таким образом, что каждое соединение включает одинаковое число светодиодов (один или более). Если приложить постоянное напряжение к такой цепи, то ток в каждом канале будет разным из-за разницы в прямом напряжении светодиодов. Специальный контроллер сравнивает между собой эти разные токи, затем рассчитывает их и определяет длительность импульсов для каждого отдельного канала. Для канала со светодиодами с более высоким прямым напряжением и, соответственно, меньшим током, драйвер должен сформировать более длительные импульсы. В другом канале, где светодиод имеет более низкое прямое напряжение и более высокий ток, импульсы должны быть более короткими. В конечном итоге для каждого канала будет сформирована своя длительность импульса, которая соответствует заряду во всех каналах.

Для большого числа каналов светодиодов такой принцип управления обеспечивает идентичные заряды в каждом канале и, следовательно, равномерную яркость свечения всех каналов. Сначала производится процедура калибровки каналов, когда светодиоды включаются в первый раз. Во время этой процедуры измеряется ток в каждом канале, и полученное значение интегрируется и сравнивается с внутренним опорным значением. Затем рассчитывается время, необходимое для того, чтобы измеренное значение стало равным внутреннему опорному значению. На светодиодный канал с наименьшим током будет подана последовательность импульсов с наименьшим рабочим циклом D = 0,9, при этом длительность импульсов других каналов будет сравниваться с этим каналом. Когда будет достигнута эквивалентная величина тока, контроллер отключит канал до тех пор, пока не начнется следующая последовательность импульсов. Примеры цепочки светодиодов и последовательности импульсов показаны на рисунках 5—8.

Цепь, показанная на рисунке 5, может состоять из трёх светодиодов высокой яркости с прямым напряжением Vf для светодиода 1, равным 3,45 В, для светодиода 2 — 3,2 В, для светодиода 3 — 3,05 В при токе 350 мА, которые работают в параллельной цепи при постоянном напряжении 3,2 В. Каждый светодиод потреблял бы разную величину тока, их интенсивность свечения была бы разной и цвета были бы искажены. Контроллер управляет длительностью импульсов тока, последовательность которых подается на светодиоды. На светодиод 1, ток которого минимален, подаются импульсы с рабочим циклом 0,9 (90% от периода следования импульсов, равного 2,048 мс). Рабочая частота светодиода 1 составляет около 500 Гц.

Рис.5. Цепочка из трех параллельных включенных светодиодов (светодиод 1:высокое VfIf1= 150 мА, светодиод 2:среднее VfIf2=300 мА и светодиод 3:низкое VfIf3=600 мА)

Расчет соответствующего времени включения для светодиода 2 показал, что этот светодиод с увеличенным в два раза током должен включаться в два раза быстрее, чем светодиод 1 (0,5 . 2,048 мс . 0,9). Для того чтобы предотвратить мерцание светодиодов, длительность периода следует уменьшить в два раза. В итоге этот светодиод работает на частоте примерно 1000 Гц. Аналогично определяется длительность импульсов для светодиода 3. В результате, получается, что светодиод 3 работает на частоте 2000 Гц. Заряд, проходящий через каждый светодиод, в каждом случае одинаков, что обеспечивает равномерность цвета свечения и светового потока.

	Рис.6. Сигнал контроллера для светодиода 1
	Рис.7. Сигнал контроллера для светодиода 2
	Рис.8. Сигнал контроллера для светодиода 3

Благодаря точному и эффективному управлению, а также сниженному энергопотреблению такой подход открывает новые горизонты для производителей светодиодных приложений. Использование этой технологии позволяет реализовать более динамичные светодиодные приложения. Потребители могут определить с точностью до мкс, когда необходимо освещение. Там, где освещение в данный момент не нужно, энергопотребление может быть снижено, что обеспечивает интервал времени для тепловой разгрузки. Управление освещением во взаимодействии с внешними электронными устройствами, например, видеокамерами или датчиками, зависит от реализации программного обеспечения.

Существенное снижение энергопотребления способствует большей гибкости приложения. Благодаря независимому управлению каждого светодиода возможно использование понижающих преобразователей: они работают с КПД, близким к 95%, что намного превышает эффективность повышающих преобразователей. Новая технология значительно расширяет возможные приложения для светодиодов высокой яркости: от визуального контроля в промышленности с самыми высокими требованиями по точности до автомобильных приложений, где требуется высокая надежность при изменении условий внешней среды.

На базе этой технологии модификация драйвера для конкретного приложения может быть вначале полностью реализована с помощью программного обеспечения. Существенное сокращение времени появления нового продукта на рынке обеспечивает важные конкурентные преимущества. Еще одним фундаментальным преимуществом такого подхода является динамический процесс разработки. Вместо разработки нового драйвера для каждого приложения необходимые модификации полностью выполняются на программном уровне. Компании могут немедленно реагировать на изменения требований и адаптировать драйвер к новому приложению.

Литература

1. Gregg Sheehan. Facts about Dimming//LED Professional, Jan/Feb, 2011.

2. Jens Gehring. Charge Controled LED Drivers//LED Professional, Jan/Feb, 2011.