Источники питания светодиодных систем освещения

Свет. Свет в нашем сознании прочно связан с Солнцем. Но когда день заканчивается, включаются миллионы небольших искусственных «солнц», и эта ассоциация меняется. Меняется, как и принципы работы и технологии этих крошечных «солнц». В первых искусственных источниках света использовался огонь. Настоящая революция в искусственном освещении произошла в эпоху массовой электрификации, в результате которой основным источником света стала лампа накаливания, работавшая от сетевого напряжения и не требовавшая каких-либо дополнительных устройств. Но у столь привычного простейшего источника света есть два существенных недостатка — небольшой срок службы (в среднем около 1000 ч) и очень низкая энергоэффективность (до 15 лм/Вт).

Это обстоятельство заставило искать новые типы источников света, которые позднее пополнились люминесцентными, газоразрядными и совсем экзотическими индукционными (безэлектродными) лампами. Получающие все большее распространение люминесцентные источники света крайне небезопасны для экологии в силу содержащейся в них ртути и требуют утилизации после окончания срока службы, что влечёт за собой дополнительные расходы. В настоящее время мы стоим на пороге новой революции — на смену разнообразным типам ламп приходит полупроводниковый светодиод. Уже сейчас один из мировых лидеров в производстве светодиодных источников, компания Cree, разработала и серийно выпускает мощные осветительные светодиоды с рекордной на сегодняшний день светоотдачей 132 лм/Вт (и конкурирует с лучшими показателями металлогалогенных и натриевых ламп). Этот показатель растёт из года в год, поэтому в будущем именно полупроводниковая светотехника получит набольшее распространение.

Однако для работы нового источника света необходимо обеспечить питание стабилизированным током, поскольку светодиод является токовым прибором: из вольтамперной характеристики (см. рис. 1) следует, что при незначительном изменении напряжения на светодиоде величина проходящего через него тока меняется на существенную величину.

Рис. 1. Вольтамперная характеристика мощного светодиода

Причин изменения падения напряжения на кристалле светодиода может быть несколько — это и температурная зависимость падения напряжения, которая лежит в довольно широких пределах (достигая значения 7 мВ/К), и естественная деградация полупроводникового материала в процессе эксплуатации. Учитывая это, следует стабилизировать именно протекающий через светодиод ток, а не приложенное к нему напряжение.

При разработке осветительного прибора или системы освещения неминуемо встаёт вопрос о выборе источника и схемы питания. На сегодняшний день производители драйверов для светодиодов предлагают огромный ассортимент продукции. Это как маломощные решения в компактных корпусах для подключения одного или нескольких светодиодов, так и мощные модели до нескольких сотен ватт; как источники питания с небольшим значением стабилизированного выходного тока, так и доходящие до нескольких ампер. Кроме того, при выборе следует учесть диапазон рабочих напряжений, характеристики энергоэффективности драйвера, степени IP-защиты, температурные режимы работы и др.

На практике мы обычно имеем дело с таким источниками питания как электросеть 220 В/50 Гц, аккумуляторы, батареи, блоки питания.

Рис. 2. Подключение светодиода к источнику напряжения

Светодиод можно подключить к источнику напряжения по схеме рисунка 2, при этом ток в цепи следует ограничить резистором, сопротивление которого рассчитывается по формуле

R = (Uвх — Uпр)/Iном.

Отсюда следует, что светодиод совместно с резистором является элементом, обеспечивающим стабилизацию тока. Но, учитывая температурную зависимость прямого падения напряжения на светодиоде, эта схема не обеспечит нужную стабилизацию тока при эксплуатации в широком диапазоне температур (–30…40°С).

Приведённая схема имеет ещё один существенный недостаток — по причине высоких рабочих номинальных токов присутствуют значительные потери энергии в резисторе, что снижает общий КПД системы. Именно поэтому используются источники тока, обеспечивающие в подключаемой нагрузке стабилизированный ток, а не напряжение, при изменении параметров цепи в определённых пределах. Источник тока по электрическим параметрам характеризуется диапазонами входного и выходного напряжений, значением стабилизированного выходного тока и минимальной и максимальной выходной мощностью.

Светодиоды, как и любые элементы электронной цепи, могут быть включены в последовательную или параллельную цепочки. Второй случай чаще всего представлен последовательно-параллельным соединением, при этом проходящий ток в каждой ветви следует выровнять дополнительным резистором, а суммарный выходной стабилизированный ток и мощность выбранного источника тока должны быть достаточными для обеспечения работы параллельных цепей в расчётном режиме. Однако необходимо иметь в виду, что выход из строя одного или нескольких светодиодов в ветви приведёт к её полному выходу из строя или протеканию в ней повышенного тока. Первый вариант будет более пагубным для последовательно-параллельной цепи, особенно с небольшим количеством параллельных ветвей (2—3) при протекании в них токов, близких к максимальным. Существуют драйверы с несколькими параллельными выходами с постоянным током. Они хоть и немного дороже, но позволят осуществить независимое питание нескольких цепочек одновременно. Это повысит надёжность установки в тех случаях, когда это крайне необходимо: выход одной цепи из строя никак не скажется на работе других.

Рис. 3. Источник тока Glacial LC7034

При использовании в приборе небольшого количества светоизлучающих диодов суммарной мощностью от нескольких до нескольких десятков ватт можно использовать бюджетные модели источников питания от Glacial (см. рис. 3) мощностью от 3 (LC3512) до 16 Вт (LC3554) с выходным током 350 мА и от 4 Вт (LC7006) до 18 Вт (LC7034) со значением стабилизированного тока 700 мА (характеристики драйверов Glacial по сериям сведены в таблице 1).

В качестве альтернативы применяются источники питания Eaglerise (см. табл. 2) мощностью от 1 Вт (SPL01SS) до 18 Вт (ELP18x1LS) с выходным током 350 мА и от 3 Вт (SLP03SS1, ELP1x3PS) до 24 Вт (ELP8x3LS) со значением стабилизированного тока 700 мА.

Рис. 4. Источник тока Philips Advance LEDUNIA0350C12F

Также маломощные модули LEDUNIA0350C12F и LEDUNIA0700C12F (см. рис. 4) мощностью 4 и 8 Вт, соответственно, представлены компанией Philips Advance (сравнительные данные по источникам питания Philips Advance приведены в таб­лице 3).

Для питания более энергоёмких изделий (от 30 Вт) можно применить модульные источники питания Philips Advance до 150 Вт (серия LEDINTA0350C425FO при токе 350 мА) и Inventronics до 200 Вт (серия EUC-200SxxxST при токе от 700 мА). Продукты компании Inventronics покрывают гораздо больший диапазон источников питания по мощности и стабилизированному выходному току, чем указано в таблице 4. Градации по току и мощности имеют небольшой шаг, что позволяет более тонко подходить к выбору драйвера для любых применений.

При создании решений, реализующих динамическое изменение светового потока, применяются источники питания с регулируемым освещением. Такая функция предоставляется большинством производителей. Особенностью ELP30-50LSD от Eaglerise является возможность работы с внешним димме ром, который обеспечивает управление по срезу заднего фронта полуволны. Inventronics также имеет в своём арсенале устройства управления освещением (см. табл. 5), например серии EUC-040SxxxDS мощностью 40 Вт.

Условия эксплуатации готового прибора накладывают на выбор источника питания определённые ограничения. Для использования в светильнике внутри помещения с нормальной температурой и влажностью подойдёт любой источник питания. В этом случае нет необходимости прибегать к драйверам с защитой большей, чем IP20, а в некоторых случаях можно использовать и бескорпусные модели. В случае наружного применения светильника рабочий температурный диапазон источника питания должен удовлетворять годовому перепаду температур (обычно –30…40°С). Также желательно использовать источник с повышенной степенью защиты — от IP65, например. Вся линейка драйверов Inventronics имеет IP-защиту, которая позволяет применять их в наружных установках. Это предупредит неприятные последствия воздействия проникающей в корпус светильника влаги.

Обзор источников питания для светодиодов будет неполным, если не сказать о драйверах в интегральном исполнении, требующих для своей работы некоторой дополнительной обвязки из радиоэлектронных элементов. Светодиоды как миниатюрные и очень экономичные источники света получили широкое распространение в системах с крайне ограниченными запасами энергии, а именно, в портативных устройствах. Эта ниша и была занята интегральными драйверами, имеющими минимальные размеры, а работа от автономных источников питания обусловила преимущественное использование низких входных напряжений. Однако существуют интегральные микросхемы и для высоковольтных решений.

Производителей таких электронных компонентов в мире великое множество, но мы остановимся на трех из них: Zetex, Macroblock и Supertex. Продукция первых двух производителей ориентирована в основном на применение в низковольтных установках.

Zetex является одним из лидирующих производителей драйверов в интегральном исполнении для светодиодов, чья продукция используется во всем спектре изделий. Драйверы характеризуются максимальным выходным напряжением до 60 В при токе 1 А (ZXLD1362). Максимальный выходной ток 2 А при напряжении 18 В обеспечивается драйвером ZXLD1320.
Драйверы Macroblock серии MBI18xx в зависимости от модели имеют 1, 2 или 4 канала, обеспечивающих выходные токи 1200, 360 и 240 мА, соответственно. Регулировка тока в выходной цепи осуществляется внешним резистором.

Компания Supertex, помимо производства светодиодных интегральных драйверов для низковольтных приложений, занимается также разработкой и изготовлением высоковольтных решений. Диапазон рабочих напряжений драйвера HV9910 лежит в пределах 8…450 В. На выходе обеспечивается стабилизированный ток 350 мА при напряжении 40 В.

Драйверы являются важнейшей частью любого светотехнического прибора или системы и к их выбору стоит подходить с не меньшим вниманием, чем к выбору светодиодов или оптики. Они призваны обеспечить расчётные параметры электрической схемы осветительного прибора во всём диапазоне предусмотренных при проектировании режимов работы. Их стоимость, как правило, составляет значительную часть от общей стоимости системы, и верный подбор источников питания обеспечит не только бесперебойную работу прибора на долгие годы, но и позволит свести к минимуму ресурсоёмкость изделия.