Бездрайверные светодиодные излучатели с КПД до 93% и без видимого мерцания

За последние годы в сегменте полупроводниковой светотехники (SSL) и на светотехническом рынке в целом значительно повысилась роль бездрайверных светодиодных излучателей, или светодиодных излучателей переменного тока. У некоторых ведущих производителей светильников на такие изделия приходится половина всего объема продаж. Перспективы удешевления и упрощения конструкции очевидны: соответствующую минимальную схему управления можно расположить на одной печатной плате со светодиодами, и тогда нужда в отдельном модуле драйвера пропадает. Новейшие изделия, в которых реализован такой подход, сочетают в себе высокий КПД (до 93%), низкую стоимость и отсутствие видимого мерцания.

Светодиодные излучатели переменного тока обладают целым рядом преимуществ. Прежде всего, к ним относятся плоская форма и компактные размеры, обусловленные отсутствием драйвера, что упрощает проектирование светильников. Однако многие серийные модели, выпускаемые в настоящее время, имеют такие недостатки, как, в частности, мерцание на частоте 100 или 120 Гц (с амплитудой, близкой к 100%) и КПД, обычно не превышающий 83%. Причем с точки зрения многих проектировщиков и составителей технических заданий (ТЗ), высокий уровень мерцания делает эти излучатели непригодными для систем офисного и цехового освещения.

В этой статье представлен новый бездрайверный светодиодный излучатель с более низким уровнем мерцания и бόльшим КПД, чем у многих современных изделий. У прототипов излучателей на базе новой технологии практически отсутствует видимое мерцание на частотах 100 или 120 Гц, а фактический электрический КПД равен 93%. Показанная здесь схема применена в излучателе, который производит компания ERG Lighting. Эта новая технология способна ощутимо повлиять на темпы и направления роста в сегменте полупроводниковой светотехники.

Чтобы в полной мере осознать значение рассматриваемого новшества, начнем с обзора традиционной технологии. В первом поколении бездрайверных светодиодных излучателей использовались схемы, подобные приведенной на рис. 1.

Рис. 1. В ранних бездрайверных излучателях напряжение сети попросту выпрямлялось, а ток ограничивался резистором

В этой схеме выпрямленное переменное напряжение сети подается на цепочку светодиодов с суммарным прямым напряжением, чуть меньшим амплитуды напряжения сети. Последовательно включенный резистор ограничивает ток через цепочку на уровне, не превышающем максимального рабочего тока светодиодов. Такая схема дает яркую вспышку света с частотой 100 или 120 раз в секунду, подобно люминесцентной лампе с электромагнитным пускорегулирующим аппаратом (ПРА).

Инженеры усовершенствовали эту схему так, чтобы количество последовательно включенных в сеть светодиодов менялось путем коммутации электронных ключей на протяжении периода колебаний напряжения сети, как показано на рис. 2. Было разработано множество схем управления ключами. Иногда вместо простого резистора можно использовать управляемое током сопротивление или ограничитель тока. Для таких схем необходимы относительно дорогостоящие микросхемы контроллеров и многочисленные высоковольтные ключи, которые также недешевы.

Рис. 2. Схемы светодиодных излучателей переменного тока с разделением на сегменты, управляемые индивидуальными ключами, отличаются улучшенными характеристиками

Выходной ток схемы с коммутируемыми сегментами напоминает по форме серию синусоидальных полуволн, а входной — синусоиду. Поэтому изделия на ее основе имеют хороший коэффициент мощности и низкий полный коэффициент нелинейных искажений (КНИ). Но полусинусоидальная форма выходного тока приводит к мерцанию на частоте 100 или 120 Гц с амплитудой, близкой к 100%. Поскольку какой-то ток протекает постоянно (некоторые светодиоды всегда включены), у схемы на рис. 2 мерцание не так заметно, как у схемы на рис. 1. Но некоторые люди все равно замечают это мерцание, особенно боковым зрением, поэтому многие составители ТЗ возражают против таких схем, ссылаясь на ненадлежащее качество света.

В новой архитектуре (рис. 3) ток светодиода удерживается почти постоянным, за исключением очень короткой (1,5 мс) просадки выходного тока на время заряда конденсаторов, происходящей дважды за каждый период колебаний напряжения сети. Это соответствует частоте переключения, равной приблизительно 600 Гц, что значительно превышает возможности человеческого глаза и потому воспринимается как отсутствие мерцания. Здесь не требуются дорогие микросхемы драйверов или силовые полупроводниковые ключи, широко применяемые в традиционных схемах.

Рис. 3. В новой схеме светодиодного излучателя переменного тока светодиоды питаются как током смещения, так и гальваническим током

Проще всего объяснить работу этой схемы, проследив за тем, как протекает ток от сети или источника переменного напряжения (SI). Когда напряжение на левой стороне источника растет в положительном направлении, через конденсаторы C4 и C9 протекает ток смещения, который затем возвращается в сеть через светодиодную цепочку 10. При достаточно высоком входном напряжении через светодиодную цепочку 7, диод D2 и резистор R6 начинает течь дополнительный ток. Таким образом, работа цепи обеспечивается сначала током смещения, протекающим через светодиодные цепочки, а затем гальваническим током.

Пока входное напряжение нарастает, конденсатор C8 заряжается до амплитудного значения напряжения сети через диод D14. Таким образом, конденсаторы C8 и C9 работают попеременно: пока один разряжается, другой заряжается. Следовательно, как только входное напряжение поднимается чуть выше или опускается чуть ниже нуля, ранее заряженный конденсатор немедленно начинает разряжаться, вырабатывая полный выходной ток. В середине полупериода колебаний одновременно с уменьшением тока смещения начинает расти гальванический ток, вследствие чего ток через светодиоды течет дольше. Результатом является относительно длительный период протекания выходного тока при относительно одинаковом его уровне. В экспериментальном прототипе светодиодного излучателя мощностью 19 Вт (не показан) суммарный ток протекал через все четыре цепочки светодиодов. Этот прототип работал с электрическим КПД, равным 93%.

Теперь рассмотрим работу этой схемы на уровне полупроводниковой светотехнической системы. Свет излучается четырьмя цепочками светодиодов, которые включаются одна за другой. На рис. 4 показаны осциллограммы токов через четыре светодиодные цепочки и суммарного тока из компьютерной SPICE-модели.

Рис. 4. Построив графики токов, протекающих через каждую из светодиодных цепочек, можно наблюдать относительно постоянный суммарный ток

Можно видеть, что возбуждение каждой цепочки происходит всего один раз в 16 мс. Чтобы получить желаемое равномерное свечение, необходимо смонтировать по одному светодиоду из каждой цепочки в виде компактной матрицы из четырех светодиодов и расположить рядом такое количество этих матриц, чтобы в них суммарное прямое напряжение светодиодов было сравнимо с напряжением сети. Лучше использовать керамические конденсаторы, поскольку электролитические не выдерживают больших пульсаций тока, свойственных данной схеме.

Предлагаемую архитектуру можно применять в широкой гамме изделий, если только их размеры и форма позволяют расположить светодиоды вышеописанным способом. Такой излучатель идеально подходит для освещения рабочих мест, сводов и пространства под шкафчиками в бытовых условиях.