Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2011 №2

Новые драйверы светодиодов от компании Linear Technology

Груттер Джеф (Gruetter Jeff)


Активный рост светодиодного освещения общего пользования, питающегося от электросети, подталкивается постоянными требованиями более высоких свойств и ценовой эффективности. Новые ИС светодиодных драйверов должны обеспечить выполнение этих противоречивых запросов. В статье приводится обзор новой продукции компании Linear Technology - новых драйверов светодиодов.

Предпосылки

Благодаря способности экономить энергию, большому сроку службы и другим полезным свойствам, светодиоды с высокой яркостью продолжают двигать вперед развитие различных светотехнических направлений. Поэтому никто уже не удивляется тому, что скорость роста продаж таких источников света непрерывно прогрессирует. К концу 2010 г. их рыночная доля достигла $8,2 млн. и, как предсказывает Strategies Unlimited (лидирующая компания в исследовании рынка оптических устройств — Прим. пер.), она будет продолжать увеличиваться с годовым темпом роста 30,6% с учетом совокупного среднегодового темпа роста (CAGR) и к 2015 г. достигнет $20,2 млн.

Самой большой силой, подталкивавшей рост в последние несколько лет, были светодиоды, используемые в задней подсветке дисплеев. Однако из-за того, что светодиодное освещение общего пользования упрочняет свои позиции как в коммерческой области, так и на рынке конечных пользователей, его объем будет ускоренно расти в будущем. LEDinside, аналитическая компания, поставляющая «разведывательную» информацию о глобальном рынке светодиодов (подразделение фирмы TrendForce) сообщает в своем докладе: «Для большинства конечных пользователей цена светодиодных осветителей все еще остается слишком высокой. Применение же подобных источников в коммерческих областях (автостоянки, офисные пространства, предприятия, склады и т. п.), поддерживаемое такими долговременными преимуществами подобных осветителей, как экономия энергии, дружественность к окружающей среде, а также значительное снижение налогов, будет существенно расти. Светодиодные светильники могут заменить не только натриевые лампы высокого давления, галогенные и накаливания, но в некоторых областях и люминесцентные лампы, как обычные, так и компактные. В 2010 г. на рынке осветительных систем высокой яркости, предназначенных для коммерческого сектора, наблюдался феноменальный рост».

Далее LEDinside предсказывает: «Быстрый рост и широкое принятие рынком коммерческого светодиодного освещения будут наблюдаться и в 2011 г., в то время как взлет использования его в домах не начнется ранее 2011-го; решающим станет 2012-й. Ожидается, что скорость проникновения светодиодных источников на рынок в 2010 г. достигнет 3,7%, а годовой темп роста с учетом CAGR в период между 2009 и 2013 гг. оценивается в 32%».

Вряд ли для кого-то является сюрпризом, что в процессе перехода к светодиодам как источникам света лидируют коммерческие применения, ведь на освещение приходится 25-40% затрат энергии в производственных помещениях. Поскольку в таких случаях свет высокой яркости требуется в течение достаточно продолжительного времени, то эффект от экономии электроэнергии не заставит себя долго ждать. Кроме того, большой срок службы светодиодных установок ощутимо снижает затраты на замену ламп, включающую не только стоимость самих ламп, но и оплату труда на их физическую установку, в некоторых случаях, например на скоростных автодорогах, довольно существенную. В противоположность этому, как уже говорилось, использование светодиодов в быту для большинства потребителей в настоящее время все еще остается слишком дорогим удовольствием. Однако большинство экспертов прогонозируют, что в ближайшие годы со снижением цен на подобные световые установки и увеличением их доступности рынок освещения жилого сектора будет заметно расти.

Как уже отмечалось, основным движущим фактором, влияющим на высокую скорость внедрения светодиодного освещения, является весьма существенная экономия в потреблении энергии. По сравнению с лампами накаливания для создания одинакового уровня освещенности (в люменах) светодиодам нужно менее 20% энергии, затрачиваемой ими. Судя по данным из таблицы, твердотельное освещение дает и другие дополнительные преимущества, но также создает и проблемы. К плюсам относится увеличенное на порядок по сравнению с лампами накаливания время жизни светодиодов, что существенно снижает затраты на замену. Сюда же можно отнести и легкость регулировки их яркости, что дает возможность использовать ранее установленные симисторные регуляторы мощности, особенно в жилом секторе. Практически мгновенное включение светодиодов позволит забыть о времени прогрева, которое присуще компактным люминесцентным лампам (КЛЛ). Помимо этого, твердотельные источники света не подвержены колебаниям яркости (мерцанию), наблюдаемым у их оппонентов, которые вызываются циклическими изменениями питающего напряжения. Вдобавок светодиодные осветительные установки не содержат и не используют никаких ядовитых веществ, в то время как КЛЛ для работы требуются соединения ртути в газообразной форме. И наконец, светодиоды имеют очень низкий профиль, недостижимый для других технологий.

Таблица. Сравнение источников света на светодиодах, КЛЛ и лампах накаливания

Параметр Светодиоды КЛЛ Лампы накаливания
Эффективность (лм/Вт) 50-150 (в будущем до 200) 40-70 10-15
Время жизни, тыс. ч 25-50 3-5 1-2
Управляющее напряжение Постоянное Высоковольтное переменное Сетевое переменное
Симисторное управление Да Нет Да
Быстрое включение Да Нет Да
Компенсация коэффициента мощности 0,5 без компенсации, >0,9 с компенсацией 0,5 1
Чувствительность к переменному напряжению Нет Да Да
Ядовитые материалы Нет Ртуть Нет
Стоимость 60-Вт (или эквив.) лампы, $ 50 3 1

Разнообразие применений светодиодов очень велико, начиная от 4-Вт источника с винтовым цоколем, предназначенного для замены лампочек накаливания, до 100-Вт уличного светильника и коммерческих установок. В большинстве случаев необходимо питать их от существующих сетей переменного тока с напряжением 90-265 В. Такие способности демонстрируют довольно редкие ИС драйверов. Для экономии энергии они должны быть максимально эффективны, а по соображениям безопасности — обеспечивать электрическую изоляцию. Кроме того, для широкого круга приложений актуальны коррекция коэффициента мощности (ККМ), а также низкие гармонические искажения. Для бытовых применений они должны давать возможность плавного изменения яркости посредством существующих симисторных регуляторов. В довершение всего, чтобы обеспечить соответствие уже существующим светильникам, они должны быть очень компактны и эффективны по цене, побуждая коммерческих и домашних пользователей сделать замену. Существование микросхемы-драйвера для светодиодов, соответствующей всем этим требованиям, стало бы наилучшим стимулом для более интенсивного принятия рынком светодиодного освещения.

Математика светодиодного освещения

Итак, одной из основных движущих сил, подталкивающих быстрый рост светодиодного освещения, является весьма существенная экономия энергии, обеспечиваемая им по сравнению с лампами накаливания и даже КЛЛ. Следовательно, имеет смысл сделать обзор возможностей экономии энергии при использовании существующих светодиодов и планируемого в ближайшие несколько лет совершенствования их свойств.

  • 60-Вт лампа накаливания дает примерно 800 лм, то есть 13,3 лм/Вт.
  • Эффективность современных, коммерчески доступных светодиодных приборов варьируется в диапазоне 50-170 лм/Вт.
  • Светодиоды будущего обещают эффективность 200-230 лм/Вт. Тем не менее, максимальная теоретическая эффективность составляет примерно 250 лм/Вт.

Для иллюстрации давайте представим свето-диод с эффективностью 100 лм/Вт. Электрическая мощность для его питания составит 800 лм/ 100 лм/Вт = 8 Вт. Однако надо принять в расчет эффективность драйвера светодиода, преобразующего переменный ток в постоянный, составляющую 85% от максимально возможной. Тогда общая мощность, требуемая от автономного источника, будет 8 Вт/0,85 = 9,4 Вт, что означает экономию энергии по сравнению с лампами накаливания в 84%. Если использовать более консервативное число 65 лм/Вт, то получим чистую экономию в 75%. Это согласуется с текущими требованиями программы Energy Star, согласно которым светодиодные лампы, предназначенные для замены стандартных ламп накаливания, должны давать по сравнению с ними как минимум 75% экономии энергии. Заглядывая в будущее, когда будут доступны приборы с эффективностью 200 лм/Вт, мы увидим, что экономия энергии «подпрыгнет» до 92%.

Питание светодиодов от сети

Поскольку сеть переменного тока постоянно доступна как в коммерческих, так и в жилых помещениях, то наделение драйверов светодиодов способностью питать их от нее вызовет экспоненциальный рост применений. Хотя процедура установки конечным пользователем светодиодной замены старым лампам относительно проста, новые требования, предъявляемые к ИС драйверов, существенно увеличиваются. Чтобы давать стабильный уровень света, твердотельные излучатели нуждаются в хорошо регулируемом источнике постоянного тока, и, чтобы обеспечить возможность их питания от электросети, при разработке необходимо применять специальные приемы и удовлетворять весьма специфические требования.

В зависимости от географического местоположения энергетические сети имеют напряжение, находящееся в диапазоне 90-265 В, с частотами 50-65 Гц. Следовательно, при изготовлении светодиодных установок для мирового рынка было бы идеально иметь одну топологию схемы, позволяющую без переделок использовать их в любом месте земного шара. Для этого требуется, чтобы ИС светодиодного драйвера могла работать в широком диапазоне входных напряжений и частот сети.

Кроме того, многие сетевые светодиодные установки требуют наличия электрической изоляции светодиодов от управляющей схемы. Подобные условия первоначально проистекают от требований безопасности и накладываются несколькими органами государственного регулирования. Чаще всего электрическая изоляция в схеме драйвера светодиода обеспечивается топологией изолированного конвертера типа flyback, где для развязки первичной и вторичной цепей схемы применяется трансформатор.

Поскольку снижение мощности, необходимой для создания заданного уровня освещенности, является чрезвычайно важным фактором, то высочайшая эффективность ИС светодиодного драйвера становится императивом. Так как схема такого устройства должна преобразовывать высокое напряжение сети переменного тока в хорошо регулируемый постоянный ток при более низком напряжении, то для снижения потерь она должна разрабатываться таким образом, чтобы обеспечить эффективность не менее 80%.

Кроме того, чтобы светодиодные лампы, предназначенные для модернизации, было реально использовать совместно с большим количеством симисторных регуляторов яркости, установленных в жилищах, то ИС драйверов должны эффективно работать и с ними. Ранее подобные регуляторы были разработаны для работы с галогенными и лампами накаливания, представляющими собой отличную резистивную нагрузку. Однако схемы светодиодных драйверов обычно нелинейны и не являются чисто активной нагрузкой. Их мостовой выпрямитель при появлении на входе положительных или отрицательных максимальных значений переменного сетевого напряжения проводит пики тока высокой интенсивности. Поэтому микросхема светодиодного драйвера должна разрабатываться так, чтобы полностью имитировать резистивную нагрузку: только это гарантирует правильное зажигание излучателя без видимого мерцания и корректную работу с симисторным регулятором яркости.

ККМ также накладывает существенные требования к светодиодному освещению. Говоря по-простому, коэффициент коррекции мощности, равный единице, достигается тогда, когда протекающий ток пропорционален и находится в фазе с входным напряжением. Поскольку, как уже говорилось, лампы накаливания являются отличной резистивной нагрузкой, то у них входной ток и входное напряжение находятся в фазе, и ККМ равен единице. Он, в частности, важен потому, что связан с величиной электрической мощности, требуемой от местного поставщика энергии. То есть в электрических сетях при равной передаваемой мощности через нагрузку с низким коэффициентом мощности течет больший ток, чем через сеть потребителя, где коэффициент выше. Больший ток увеличивает потери энергии в системе распределения, что оборачивается ростом требований к проводам и другому передающему оборудованию. Из-за роста стоимости и потерь электроэнергии электрораспределительные компании обычно начинают назначать более высокие тарифы промышленным и коммерческим потребителям, имеющим низкий коэффициент мощности. Международные стандарты для светодиодного освещения все еще находятся в разработке, но большинство экспертов сходятся во мнении, что будет принято значение ККМ >0,9.

Поскольку схема драйвера светодиода (включая массив диодов, трансформаторы и конденсаторы) не является чисто активной нагрузкой, она может иметь ККМ, не превышающий 0,5. Чтобы повысить его до величин, больших 0,9, внутри схемы драйвера должна быть предусмотрена активная или пассивная цепь ККМ. Необходимо отметить, что высокое значение ККМ, в частности, важно в приложениях, где используется более нескольких сотен 50-Вт светодиодных установок. В подобных случаях выигрышной будет разработка драйвера с значением ККМ, превышающим 0,95. В дополнение к этому высокое значение ККМ положительным образом влияет на уровень гармонических искажений в светодиодных установках. Международная электротехническая комиссия (International Electrotechnical Commission, IEC), чтобы гарантировать, что новые светодиодные установки будут иметь низкое значение гармонических искажений, разработала документ IEC 61000-3-2, Class C Lighting Equipment Harmonics specification (Требования к гармоническим искажениям осветительного оборудования класса C).

Точная регулировка тока в широком диапазоне напряжений в сети и на выходе в осветительных приложениях является чрезвычайно важной, поскольку вариации яркости светодиодов не должны восприниматься человеческим глазом. Также для обеспечения максимально возможного срока службы светодиода важно не превышать максимально допустимые значения токов. Управление током светодиодов в устройствах с изолированным конвертером типа flyback (преобразователь типа buck-boost с разделенной индуктивностью, образующей трансформатор — Прим. пер.) не всегда прямолинейно и часто для замыкания цепи ОС требует установки оптопары или дополнительного каскада для преобразования. Однако оба эти способа увеличивают сложность и влияют на надежность. К счастью, существуют некоторые разработки ИС светодиодных драйверов, основанные на новых подходах, обеспечивающих точное регулирование тока без подобных дополнительных компонентов или усложнения схемы.

И наконец, цена и размеры. Потребители привыкли платить за замену одной 60-Вт лампы накаливания менее $1 и $3 за ее КЛЛ-эквивалент. Пользователям трудно преодолеть барьер в $30 за замену существующего источника света светодиодным. При таких ценах экономически правильно делать акцент на сокращение затрат на энергию и замены в течение всего срока службы светодиодов, но пользователи не привыкли делать такие сопоставления. Коммерческие предприятия, такие как склады, гаражи или автостоянки, в целом значительно более восприимчивы к возможности сэкономить на больших счетах за электричество, особенно если преимущества станут более очевидны. Когда затраты на покупку светодиодных заменителей традиционного освещения снизятся, большее число потребителей захочет перейти на твердотельное освещение.

Не менее важным фактором является размер светодиодного осветительного прибора. Многие из них предназначены для прямой замены ламп накаливания и являются «вкручиваемы ми», это означает, что общий объем и форма изделия должны соответствовать исходной лампе накаливания. Но поскольку светодиоды нуждаются в отводе тепла и значительно более сложной схеме управления, то размещение всего этого на той же площади и в таком же объеме является непростой задачей. Следовательно, необходима ИС драйвера светодиодов, соответствующая всем этим требованиям в простом и компактном решении.

Новое решение

Решение, удовлетворяющее все описанные выше требования к сетевому светодиодному драйверу, уже существует. Это LT3799 фирмы Linear Technology — изолированный преобразователь типа flyback c активной ККМ, специально разработанный для питания светодиодов от любой сети переменного тока с напряжением 90-265 В. В этой схеме использован режим критической проводимости (critical conduction mode), позволяющий минимизировать размеры внешнего трансформатора. Она является идеальной для питания светодиодов в диапазоне их мощностей от четырех до сотен ватт. Полная схема, предназначенная для питания светодиодов с мощностью до 20 Вт, показана на рис. 1. Она, в частности, может работать с симисторными регуляторами яркости, задавая светодиодам ток силой до 1 А при питании от сети переменного тока с напряжением 90-265 В, обеспечивая при этом эффективность более 86% (рис. 2). При небольших изменениях во внешних элементах схема может быть еще более оптимизирована для сетей переменного тока 120, 240 и даже 377 В, и вообще почти для любого существующего источника переменного тока общего пользования (рис. 3).

Рис 1. Схема светодиодного источника питания на основе ИС LT3799 c изолированным преобразователем типа flyback, универсальным входом, ККМ и возможностью управления от симисторных регуляторов яркости

Рис. 2. Зависимость эффективности ИС LT3799 от изменения напряжения на универсальном входе

Рис. 3. Формы входного напряжения и тока VIN и IIN ИС LT3799 с активной ККМ

LT3799 разработана на основе одного каскада, а вся схема драйвера, включая ЭМИ-фильтр, состоит только из 40 элементов, что делает решение простым, небольшим по размеру и экономичным по цене. Габариты 20-Вт схемы, приведенной на рис. 1, составляют всего 30x75x30 мм, что делает ее идеальной для широкого спектра светодиодных приложений.

Добавим, что LT3799 осуществляет поддержание тока светодиода при изменении как входного и выходного напряжений, так и температуры. Если обратиться к рис. 4, то можно заметить, что ток изменяется в пределах 5% от заданной величины, в то время как переменное напряжение на входе лежит в диапазоне 90-150 В. Подобные показатели могут потребоваться в большинстве осветительных приложений в США. В отсутствие оптопары ИС LT3799 имеет уникальную схему, чувствительную к току, которая передает хорошо регулируемый ток во вторичную цепь. Такое решение не только снижает стоимость, но и повышает надежность.

Рис. 4. Регулирование тока ИС LT3799 при изменении ~VIN

Микросхема LT3799 также может использоваться совместно со встроенным в стену си-мисторным регулятором и не давать видимого мерцания. Интегрированная в нее защита светодиодов от КЗ и обрыва гарантирует долговременную надежную работу в широком спектре применений. И наконец, улучшенный по температурным параметрам корпус типа MSOP-16 позволяет создавать очень компактные конструкции светодиодных драйверов.

Заключение

Активный рост светодиодного освещения общего пользования, питающегося от электросети, подталкивается постоянными требованиями более высоких свойств и ценовой эффективности. Новые ИС светодиодных драйверов должны обеспечить выполнение этих противоречивых запросов. Эти устройства должны электрически изолировать вход и выход, давать высокую эффективность, иметь ККМ и возможность работы с симисторным регуляторами. А для поддержания одинаковой яркости необходим хорошо регулируемый ток через светодиоды, не зависящий от входного напряжения или изменения прямого напряжения на них, и все это — при наличии разнообразных средств защиты, повышающих надежность системы. Присутствие на рынке подобных устройств позволяет создавать очень компактные и экономичные решения. Как можно видеть, такие автономные светодиодные драйверы уже существуют.

Скачать статью в формате pdf  Скачать статью в формате pdf


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке