Источники питания светодиодных светильников на –40°C


PDF версия

Природные условия нашей страны требуют применения источников питания с расширенным диапазоном рабочих температур. Компания Mean Well предлагает новую серию источников питания HLG с диапазоном –40…70°C мощностью 100…185 Вт, изделия име-ются на складе «Компэла» в Москве.

Введение

Температура окружающей среды в зимнее время года на территории России может снижаться до –68°С в зависимости от географического расположения. Этот факт значительно затрудняет разработку и внедрение новых энергосберегающих технологий по всей стране. Требуются источники питания с расширенным в сторону низких температур диапазоном работы. Частично эту задачу можно решить при помощи новой серии HLG, разработанной компанией Mean Well.

Несколько лет российский дистрибьюторы продукции Mean Well на ежегодных конференциях, технических семинарах и выставках убеждали руководство и инженеров компании выпускать сетевые источники питания, по диапазону рабочих температур соответствующих российским условиям эксплуатации. Нам нужны источники питания с диапазоном рабочих температур от –40°C. За несколько дней до написания статьи инженеры Mean Well сообщили об успешном завершении испытаний в августе 2010 г. источников питания серии HLG, диапазон рабочих температур которых составляет от –40 до +70°C.

Варианты моделей

Серия HLG состоит из модулей HLG-100, HLG-120, HLG-150, HLG-185, HLG-240 мощностью 100, 120, 150, 185, 240 Вт, соответственно. Источники питания HLG выпускаются в герметичном металлическом корпусе (см. рис. 1) по IP67 или IP65, в зависимости от модели. Высокая степень защиты от внешних воздействий и широкий диапазон рабочих температур -40…70°C позволяет применять эти источники питания в составе светильников уличного освещения, а также в разнообразной аппаратуре, работающей в тяжелых условиях, в том числе в северных регионах России. Отличительной чертой источников питания HLG является наличие моделей с расширенным диапазоном входного напряжения 90…305 В, что очень востребовано в условия отечественных сетей с нестабильным напряжением. Расширенный диапазон кодируется в обозначении символом «H» после обозначения мощности изделия.

Зависимость выходной мощности от температуры окружающей среды приведена на рис. 2. Источник питания HLG уверенно запускается и выдает полную мощность в диапазоне отрицательных температур вплоть до –40°C. Таким образом, 100% мощности он выдает в диапазоне от –40 до 60°C. При дальнейшем увеличении температуры до 70°C происходит снижение отдаваемой мощности до 60% от номинала.

Источники питания серии HLG соответствуют требованиям стандарта EN-61000-3-2 (ГОСТ 51317.3.2-2006) к допустимому уровню гармоник тока в сети для оборудования Class C (Светотехника), поскольку имеют встроенный активный корректор коэффициента мощности (ККМ).

Эта серия имеет большое разнообразие свойств и функций:

– Расширенный диапазон входного напряжения 90…305 В переменного тока;

– Подстройка величины выходного тока и выходного напряжения;

– Дистанционное управление яркостью свечения светодиодов (димминг);

– Подключение проводов к клеммной колодке (только
HLG-240).

Варианты исполнения кодируются суффиксом в маркировке модуля после цифрового обозначения выходного напряжения, например, HLG-240-12A. В источниках питания серии HLG возможна подстройка выходного напряжения и тока с помощью потенциометров, отверстия для доступа к которым закрыты резиновыми заглушками. Это исполнение имеет степень защиты от внешних воздействий IP65 (рис. 1) и кодируется суффиксом «А». Источники питания с IP67 могут быть двух вариантов — с диммингом (суффикс «B») и без димминга (нет суффикса). Димминг, т.е. функцию динамического управления яркостью свечения светодиодов в процессе эксплуатации, возможно осуществить дистанционно через дополнительные провода управляющего входа. Управляющее воздействие формируется при помощи потенциометра или внешнего управляющего аналогового напряжения, или внешних ШИМ-импульсов. Регулировочные характеристики и числовые значения приведены в фирменном описании источника питания, которое можно скачать с сайта официального дистрибьютора «КОМПЭЛ» www.compel.ru или сайта производителя www.meanwell.com. Суффиксом «С» кодируются модули с клеммной колодкой под винт, не защищенные от проникновения пыли и влаги. Такое исполнение «C» имеется только у серии HLG-240 мощностью 240 Вт.

Основные параметры источников питания серии HLG:

– универсальный вход 90…305 В или 90…264 В или переменного тока в зависимости от модели;

– встроенный корректор коэффициента мощности (ККМ, PFC);

– коэффициент мощности > 0,9;

– высокий КПД 90-95%;

– степень защиты IP67/IP65 в зависимости от модели;

– диапазон рабочих температур –40…70°С;

– комплекс защит от короткого замыкания, от перегрузки по току, от превышения выходного напряжения, от перегрева;

– электрическая прочность изоляции вход/выход 3,75 кВ переменного тока;

– уровень пульсаций 150…200 мВ (размах);

– диапазон подстройки Iвых 50—100% или 10—100% в зависимости от модели;

– диапазон подстройки Uвых ± 6%;

Варианты моделей источников питания HLG-100x, HLG-120x, HLG-150x, HLG-185x, HLG-240x приведены в таблице 1.

Выбор источника питания HLG рекомендуется выполнять исключительно по фирменной технической документации, а приведенная на рисунке 3 схема поможет в выборе опций. На ней в качестве примера рассмотрены варианты обозначений и сточника питания HLG-240-48. Разные суффиксы кодируют конструктивные особенности. Дополнительно меняя в схеме значение выходной мощности и напряжения, можно получить правильное наименование любого источника питания серии HLG с нужным набором опций.

Запас по мощности. Выбор нагрузки

На первом этапе разработчик осуществляет выбор источника питания для решения конкретной задачи по следующим параметрам:

– выходной ток,

– полная мощность,

– диапазон входного напряжения,

– диапазон рабочих температур,

– степень защиты от внешних воздействий.

Весьма важным вопросом применения источника питания для светодиодного светильника является правильный выбор нагрузки. Он выполняется из следующих соображений: обеспечить «защитный» запас по мощности, реализовать работу источника питания в режиме стабилизации выходного тока, сохранить большой КПД и высокое значение коэффициента мощности.

Всегда встает вопрос: «Каким должен быть запас по потребляемой мощности?». Ответить на него можно, воспользовавшись рекомендациями компании-производителя и дополнительно проанализировав графики зависимости КПД и коэффициента мощности (КМ) источника питания от нагрузки. Компания-производитель рекомендует не применять источник питания при максимальном выходном напряжении и максимальном выходном токе, а оставлять запас по мощности 5—15%. При этом все силовые компоненты источника питания работают в облегченных электрическом и тепловом режимах, что способствует большей надежности и долговечности источника питания.

Зависимости КПД и коэффициента мощности от нагрузки на примере источника питания HLG-100H приведены на рис. 4 и 5 соответственно. Графики иллюстрируют, что высокие значения КПД 90—94% источник питания имеет в широком диапазоне нагрузок 45—100% от максимальной, а большой коэффициент мощности 0,93—0,97 — в диапазоне нагрузок 60—100%.

Максимальное значение КПД достигается в диапазоне нагрузок 90—100%. При этом потери на тепло в источнике минимальны, значит, температура элементов внутри модуля тоже минимальна. Таким образом, с точки эффективности применения наиболее приемлемая величина запаса по мощности должна попадать в диапазон 5—10 % от номинального значения выходной мощности. Максимальное значение КМ (см. рис. 5) находится в этом же диапазоне. При уменьшении нагрузки как КПД, так и КМ уменьшаются, но не пропорционально. Если в диапазоне нагрузок от 50 до 100% КПД снижается приблизительно на 2%, то коэффициент мощности уменьшается
на 10—15 %. Следовательно, увеличение запаса по мощности более рекомендуемого значения приводит к увеличению потерь и электромагнитных помех. Важно сохранять максимально достижимые значения КПД и КМ для сохранения высокой энергетической эффективности и низкого уровня гармоник тока в питающей сети.

Температура и выбор нагрузки

На семинаре «Проблемы питания светодиодных источников света», проведенном компанией «Компэл» 7 сентября 2010 г. в Санкт-Петербурге, по просьбе участников было уделено дополнительное внимание выбору нагрузки источника питания исходя из температурных режимов и влияния температуры на срок жизни источника питания. Мы намеренно повторяем график зависимости времени жизни источника питания от нагрузки и температуры из [1] ввиду важности этого вопроса. На рис. 6 приведены зависимости времени жизни от температуры в диапазоне 20—70°C и при разной нагрузке 50, 75 и 100% от номинальной. Эти графики получены для источников питания GLG-150 в металлическом корпусе и с заливкой компаундом. Источники питания серии HLG являются новым, вторым поколением серии CLG-HLG, поэтому качественный характер зависимостей сохраняется и для источников питания HLG. Общий вывод: повышение температуры и увеличение нагрузки уменьшает время жизни. С целью увеличения времени жизни источника питания нужно обеспечить запас по мощности и попытаться облегчить температурный режим, насколько это возможно в реализуемой конструкции светильника.

Рис. 1. Источник питания HLG: а) внешний вид, б) варианты исполнения

 

Рис. 2. Зависимость выходной мощности источника питания от температуры окружающей среды (на примере HLG-100H при горизонтальном расположении модуля)

Таблица 1. Варианты моделей источников питания HLG с широким входом в герметичных корпусах
и широким диапазоном температур –40…70 ºС

Наименование*

Pвых, Вт

Uвых, В

Iвых, А

Уровень шумов и пульсаций, В

Выходная мощность 100 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (219×68×39 мм)

HLG-100y-12x

60

12

5

0,15

HLG-100y-15x

75

15

5

0,15

HLG-100y-20x

96

20

4,8

0,15

HLG-100y-24x

96

24

4

0,15

HLG-100y-30x

96

30

3,2

0,2

HLG-100y-36x

95,4

36

2,65

0,2

HLG-100y-42x

95,76

42

2,28

0,2

HLG-100y-48x

96

48

2

0,2

HLG-100y-54x

95,58

54

1,77

0,2

Выходная мощность 120 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (219×68×39 мм)

HLG-120y-12x

120

12

10

0,15

HLG-120y-15x

120

15

8

0,15

HLG-120y-20x

120

20

6

0,15

HLG-120y-24x

120

24

5

0,15

HLG-120y-30x

120

30

4

0,2

HLG-120y-36x

122,4

36

3,4

0,2

HLG-120y-42x

121,8

42

2,9

0,2

HLG-120y-48x

120

48

2,5

0,2

HLG-120y-54x

124,2

54

2,3

0,2

Выходная мощность 150 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (222×68×39 мм)

HLG-150y-12x

150

12

12,5

0,15

HLG-150y-15x

150

15

10

0,15

HLG-150y-20x

150

20

7,5

0,15

HLG-150y-24x

151,2

24

6,3

0,15

HLG-150y-30x

150

30

5

0,2

HLG-150y-36x

151,2

36

4,2

0,2

HLG-150y-42x

151,2

42

3,6

0,2

HLG-150y-48x

153,6

48

3,2

0,2

HLG-150y-54x

151,2

54

2,8

0,2

Выходная мощность 185 Вт, металлический корпус по IP67, IP65 (222×68×39 мм)

HLG-185y-12x

156

12

13

0,15

HLG-185y-15x

172

15

11,5

0,15

HLG-185y-20x

186

20

9,3

0,15

HLG-185y-24x

187,2

24

7,8

0,15

HLG-185y-30x

186

30

6,2

0,2

HLG-185y-36x

187,2

36

5,2

0,2

HLG-185y-42x

184,8

42

4,4

0,2

HLG-185y-48x

187,2

48

3,9

0,2

HLG-185y-54x

186,3

54

3,45

0,2

Выходная мощность 240 Вт, металлический корпус по IP67, IP65, IP20 (245×68×39 мм)

HLG-240y-12x

192

12

16

0,15

HLG-240y-15x

225

15

15

0,15

HLG-240y-20x

240

20

12

0,15

HLG-240y-24x

240

24

10

0,15

HLG-240y-30x

240

30

8

0,2

HLG-240y-36x

241,2

36

6,7

0,2

HLG-240y-42x

240,2

42

5,72

0,2

HLG-240y-48x

240

48

5

0,2

HLG-240y-54x

240,3

54

4,45

0,2

* Источники питания серий HLG-80 и HLG-320 находятся на стадии разработки.

Рис. 3. Схема выбора опций источников питания серии HLG

Запас по мощности. Выбор нагрузки

На первом этапе разработчик осуществляет выбор источника питания для решения конкретной задачи по следующим параметрам:

– выходной ток,

– полная мощность,

– диапазон входного напряжения,

– диапазон рабочих температур,

– степень защиты от внешних воздействий.

Весьма важным вопросом применения источника питания для светодиодного светильника является правильный выбор нагрузки. Он выполняется из следующих соображений: обеспечить «защитный» запас по мощности, реализовать работу источника питания в режиме стабилизации выходного тока, сохранить большой КПД и высокое значение коэффициента мощности.

Всегда встает вопрос: «Каким должен быть запас по потребляемой мощности?». Ответить на него можно, воспользовавшись рекомендациями компании-производителя и дополнительно проанализировав графики зависимости КПД и коэффициента мощности (КМ) источника питания от нагрузки. Компания-производитель рекомендует не применять источник питания при максимальном выходном напряжении и максимальном выходном токе, а оставлять запас по мощности 5—15%. При этом все силовые компоненты источника питания работают в облегченных электрическом и тепловом режимах, что способствует большей надежности и долговечности источника питания.

Зависимости КПД и коэффициента мощности от нагрузки на примере источника питания HLG-100H приведены на рис. 4 и 5 соответственно. Графики иллюстрируют, что высокие значения КПД 90—94% источник питания имеет в широком диапазоне нагрузок 45—100% от максимальной, а большой коэффициент мощности 0,93—0,97 — в диапазоне нагрузок 60—100%.

Максимальное значение КПД достигается в диапазоне нагрузок 90—100%. При этом потери на тепло в источнике минимальны, значит, температура элементов внутри модуля тоже минимальна. Таким образом, с точки эффективности применения наиболее приемлемая величина запаса по мощности должна попадать в диапазон 5—10 % от номинального значения выходной мощности. Максимальное значение КМ (см. рис. 5) находится в этом же диапазоне. При уменьшении нагрузки как КПД, так и КМ уменьшаются, но не пропорционально. Если в диапазоне нагрузок от 50 до 100% КПД снижается приблизительно на 2%, то коэффициент мощности уменьшается
на 10—15 %. Следовательно, увеличение запаса по мощности более рекомендуемого значения приводит к увеличению потерь и электромагнитных помех. Важно сохранять максимально достижимые значения КПД и КМ для сохранения высокой энергетической эффективности и низкого уровня гармоник тока в питающей сети.

Рис. 4. График зависимости КПД от нагрузки на примере источника питания серии HLG-100H
Рис. 5. График зависимости коэффициента мощности от нагрузки на примере источника питания серии HLG-100H

 

Температура и выбор нагрузки

На семинаре «Проблемы питания светодиодных источников света», проведенном компанией «Компэл» 7 сентября 2010 г. в Санкт-Петербурге, по просьбе участников было уделено дополнительное внимание выбору нагрузки источника питания исходя из температурных режимов и влияния температуры на срок жизни источника питания. Мы намеренно повторяем график зависимости времени жизни источника питания от нагрузки и температуры из [1] ввиду важности этого вопроса. На рис. 6 приведены зависимости времени жизни от температуры в диапазоне 20—70°C и при разной нагрузке 50, 75 и 100% от номинальной. Эти графики получены для источников питания GLG-150 в металлическом корпусе и с заливкой компаундом. Источники питания серии HLG являются новым, вторым поколением серии CLG-HLG, поэтому качественный характер зависимостей сохраняется и для источников питания HLG. Общий вывод: повышение температуры и увеличение нагрузки уменьшает время жизни. С целью увеличения времени жизни источника питания нужно обеспечить запас по мощности и попытаться облегчить температурный режим, насколько это возможно в реализуемой конструкции светильника.

Рис. 6. Зависимость времени жизни источника питания от нагрузки и температуры окружающей среды

Режимы работы источников питания серии HLG

Источники питания серии HLG являются универсальными, то есть они при различных условиях выполняют функцию источника напряжения или источника тока. Эта дополнительная функция отображается на вольт-амперной характеристике (ВАХ), приведенной на рис. 7.

Проанализируем её с точки зрения практического применения. На графике ВАХ источника питания имеется три области — А, B, С. В области A источник питания ведет себя как стабилизатор напряжения (Constant Voltage mode — CV); в области B — как стабилизатор тока (Constant Current mode — CC). В области С происходит срабатывание защиты от перегрузки. Рабочими областями являются области A и B. Рассмотрим подробнее оба режима на примерах построения светодиодных светильников.

Рис. 7. Типовая вольт-амперная характеристика источника питания серии HLG

Режим работы со стабилизацией по напряжению

Для реализации режима стабилизации по напряжению (CV) требуется сдвинуть границу начала области стабилизации по току в крайне правое положение, чтобы в большем диапазоне токов источник питания выдавал стабилизированное напряжение. Это можно сделать, вращая переменный резистор, который обозначен на корпусе «Io ADJ.». Величину выходного напряжения источника питания в режиме CV можно регулировать в небольших пределах с помощью переменного резистора «Vo ADJ.». Такую настройку можно сделать в моделях с суффиксами «А» и «C». Если в маркировке модуля суффикс отсутствует, выполнить подстройку нельзя и при расчете нагрузки можно будет пользоваться только номинальными значениями выходного тока и напряжения из технической документации. Модули питания с суффиксом «B» рекомендуется применять только в режиме стабилизации по току, поскольку в этих модулях реализована функция димминга, то есть регулировки уровня выходного тока.

Пример схемы светодиодного светильника приведен на рисунке 8. На схеме можно выделить три основных и три дополнительных блока. Роль основных блоков выполняют: источник питания HLG-185H, интегральная схема DC/DC-драйвера светодиодов, задающая ток светодиодов и светодиодная нагрузка. Блоки A, B, C — это фильтрующие цепи, которые предназначены для уменьшения электромагнитных помех и пульсаций. Последовательно от входа к нагрузке рассмотрим все блоки этой системы. На входе системы расположен фильтрующий X-конденсатор (блок А), который уменьшает кондуктивные помехи в диапазоне частот от 9 кГц до 1 МГц. Конденсатор разряжается через параллельно подключенный резистор. Источник питания находится в режиме стабилизации напряжения (режим CV), а ток в нагрузке задает DC/DC-драйвер светодиодов. На практике количество подключаемых DC/DC-драйверов всегда больше одного и зависит от мощности источника питания и светодиодного светильника. Для устранения помех в диапазоне частот 10…300 МГц между источником питания и драйвером, как правило, размещают синфазный дроссель (блок B). Уменьшить собственные шумы и помехи драйвера можно дополнительно при помощи LC-фильтров (блок C), которые подключаются на входе и выходе драйвера.

Рис. 8. Пример применения источника питания серии HLG-185H в режиме стабилизации по напряжению

Режим работы со стабилизацией выходного тока

Источник питания серии HLG может работать в режиме стабилизации выходного тока (CC). Для нормальной работы источника в этом режиме необходимо правильно рассчитать потребляемый нагрузкой ток и диапазон (минимум и максимум) падения напряжения на нагрузке. При невыполнении этих требований источник питания будет переходить в область срабатывания защиты (область C на рис. 7).

Типичный пример реализации светодиодного светильника с источником питания в режиме стабилизации тока приведен на рисунке 9. Эта схема является одной из самых популярных схем включения и неоднократно анализировалась в статьях, например, в [2].

Рис. 9. Пример применения источника питания серии HLG-185H в режиме стабилизации по току

Заключение

Серия HLG — флагманская в линейке источников питания Mean Well для светодиодных светильников. У нее самый широкий диапазон рабочих температур от –40 до +70°C, расширенный диапазон входного напряжения 90…305 В переменного тока и большое разнообразие конструктивного исполнения: имеются модели с подстройкой величины выходного тока и выходного напряжения, есть изделия с дистанционным управлением яркостью свечения светодиодов (диммингом), в серии HLG-240 имеется вариант с подключением проводов к клеммной колодке. Такое разнообразие функций и опций сочетается с широкой линейкой мощностей от 100 до 240 Вт (80 и 320 Вт в разработке), высокими значениями КПД более 90% и коэффициента мощности более 0,9.

Подробную информацию об этих и других источниках питания более можно найти на специализированном сайте официального дистрибьютора компании «КОМПЭЛ» http://www.compel.ru/ в разделе «Источники питания/ИП для LED». На сайте реализованы параметрический поиск, автоматическое определение аналогов и постоянное обновление информации о технических параметрах, а также цене и наличии на складе. Новые источники питания HLG имеются на складе «КОМПЭЛ» в Москве и их можно оперативно заказать у менеджеров по продажам.

Источники питания HLG — прекрасный выбор для светодиодных светильников улиц, тоннелей, железнодорожных путей и платформ и других мест с большим перепадом температур.

Литература

1. Источники питания серии PLP для монтажа в светильник // Современная светотехника, 2010, №3.

2. AC/DC-преобразователи Mean Well для питания мощных светодиодов // Современная светотехника, 2009, №1.

Сергей Кривандин

Технический руководитель направления «Источники питания» ЗАО «Компэл», кандидат технических наук по специальности «Радиотехнические и телевизионные системы и устройства», доцент.

Андрей Конопельченко

Инженер-консультант «Компэл». Окончил Волгоградский государственный университет по специальности «Радиофизика и электроника». Работал ведущим инженером-разработчиком импульсных источников питания.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *