LED-драйверы и системы управления светодиодным освещением

Введение

Компаниями «Интеграл» (Республика Беларусь), «Тандем Электроника» (Российская Федерация) и СКТБ «Микроника» (Республика Беларусь) организовано производство LED-ламп и светильников, начиная от разработки, производства интегральных микросхем (ИМС) LED-драйверов и систем управления освещением и заканчивая изготовлением плат применения.

Производимые LED-лампы и светильники характеризуются продолжительным сроком эксплуатации, крайне низким уровнем энергопотребления, высокой светоотдачей, отсутствием пульсаций светового потока, нечувствительностью к нестабильной электросети и к частым включениям/выключениям, способностью уверенно работать в условиях повышенной влажности и серьезных морозов. В случае необходимости используется модульное расположение LED-диодов в осветительной системе, что позволяет не заменять незамедлительно LED-лампу при выходе из строя одного или нескольких светодиодов, так как общая светоотдача такой системы изменяется незначительно.

Светодиодные лампы и светильники обычно состоят из светодиодного модуля и платы источника тока (LED-драйвера), размещенных в корпусе-радиаторе. Все LED-лампы, трубки и светильники компаний «Интеграл» и «Тандем Электроника» комплектуются LED-драйверами, разработанными компанией СКТБ «Микроника», которая использует в их составе ИМС собственной разработки.

Во многих случаях актуально создание с целью экономии электроэнергии (системы уличного, офисного освещения, «умный дом») или для реализации специальных режимов освещения (птицеводческие фабрики, тепличное освещение и др.) управляемых систем освещения, в составе которых необходим управляемый источник питания (УИП). Использование УИП в таких системах освещения может обеспечивать как групповое, так и адресное управление каждым светильником. Кроме того, УИП обеспечивают поддержку открытой распределенной архитектуры с интеллектуальной периферией, которая позволяет, во-первых, оптимизировать систему управления освещением под индивидуальные требования заказчика, во-вторых, система имеет расширенные функции по управлению освещением и обеспечивает возможность ее интеграции с другими распределенными системами управления. Основная область применения таких систем — птицеводческие помещения, энергосберегающее уличное и офисное освещение.

LED-драйверы

LED-драйверы разрабатываются специалистами компаний «Интеграл» и «Тандем Электроника» и производятся на собственных мощностях с использованием пассивных комплектующих ведущих мировых производителей, что гарантирует их высокие эксплуатационные характеристики. В драйверах светодиодов, которые по типу подразделяются на линейные, изолированные и неизолированные, используются собственные специально спроектированные микросхемы, обеспечивающие функционирование драйвера с высокими техническими параметрами (таблица 1).

Как видно из таблицы, разработанные LED-драйверы характеризуются расширенным диапазоном входного напряжения, высокой эффективностью, высоким фактором мощности. Стабильность тока всех типов драйверов не хуже ±(1-3)%, срок службы более 40 000 ч. Возможно увеличение срока службы до 80 000 ч и более за счет схемотехнических решений, исключающих электролитические конденсаторы в плате драйвера.

Линейные LED-драйверы

Линейный драйвер представляет собой ограничитель тока, выполненный на семействе микросхем MCA1504, рассчитанных на типовой выходной ток 20, 30, 40 и 60 мА. Упрощенно ограничитель тока можно представить в виде некоего регулируемого резистора, сопротивление которого меняется в зависимости от напряжения на нем, за счет чего ток в цепи резистора остается постоянным [1]. Внешний вид драйвера и его схема показаны на рис. 1. Стабильность тока составляет ±2,5% в диапазоне сетевых напряжений 210-230 В (рис. 2).

Рис. 1. Линейный светодиодный драйвер на ИМС МСА1504 40 мА:
а) внешний вид;
б) электрическая схема

Рис. 2. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения линейного драйвера с выходным током 40 мА на ИМС МСА1504

Изолированные LED-драйверы

Изолированный драйвер мощностью 6-22 Вт разработан на базе микросхемы MCA1501 [2], а мощностью 40-200 Вт — на базе MCA6062. Драйвер этого типа представляет собой гальванически изолированный от сети обратноходовой импульсный преобразователь напряжения (flyback converter) с контролем выходного тока через цепь обратной связи посредством оптопары и активным корректором коэффициента мощности (ККМ). Внешний вид драйверов на ИМС МСА1501 и МСА6062 и их блок-схема показаны на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид изолированного LED-драйвера:
а) 11 Вт;
б) 60 Вт;
в) блок-схема драйвера мощностью 60 Вт

Микросхемы MCA1501 и МСА6062 представляют собой сетевой светодиодный контроллер с ККМ, разработанный для управления обратно-ходовыми понижающими или повышающими преобразователями, работающими в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode). Драйверы данной конструкции характеризуются высокой стабильностью тока: изменение тока не превышает ±1% в диапазоне сетевых напряжений 90-255 В (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения изолированных LED-драйверов мощностью 11 и 60 Вт

В изолированном LED-драйвере большой мощности (60-200 Вт) используется схема обратноходового импульсного преобразователя напряжения на базе ИМС MCA6062 с активным ККМ на входе (рис. 5).

Рис. 5. LED-драйвер мощностью 60-200 Вт:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Неизолированные LED-драйверы

Схема неизолированных светодиодных драйверов содержит фильтр радиопомех, блок выпрямителя, схему управления со встроенным активным либо с внешним пассивным ККМ и блок ключа с интегрирующим элементом. Данные LED-драйверы мощностью 3-22 Вт построены на базе микросхем MCA1602 и МСА1503 и представляют собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с пассивным ККМ (для схемы с MCA1602) и активным ККМ (для схемы с МСА1503). Внешний вид неизолированных LED-драйверов и их блок-схема показаны на рис. 6, 7. Изменение тока неизолированных LED-драйверов на базе ИМС МСА1602 и МСА1503 в диапазоне сетевых напряжений 100-255 В не превышает ±3% (рис. 8).

Рис. 6. Неизолированный LED-драйвер на базе микросхемы MCA1602:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Рис. 7. Неизолированный LED-драйвер на базе микросхемы MCA1503:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Рис. 8. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения LED-драйверов на базе ИМС MCA1602 мощностью 6 Вт и МСА1503 мощностью 9 Вт

Управляемый источник питания

УИП при решении задачи создания интеллектуальных систем освещения обеспечивает реализацию двух основных функций:

• прием, обработка и передача микросхеме LED-драйвера управляющего сигнала;
• обеспечение заданной яркости свечения источника света при оптимальных режимах работы светодиодов.

Конструктивно УИП реализован на одной плате (рис. 9), которая содержит контроллер управления с каналом цифрового интерфейса и источник импульсного тока питания светодиодов — LED-драйвер. В составе УИП могут использоваться как изолированные, так и неизолированные LED-драйверы, аналогичные описанным выше.

Рис. 9. Внешний вид УИП с неизолированным 20-Вт LED-драйвером

LED-драйвер мощностью 20 Вт, входящий в состав УИП, изображенного на рис. 9, представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с пассивным ККМ и схемой управления тока светодиодов по LIN-интерфейсу. Зависимости эффективности (КПД), выходного тока (тока светодиодов) и фактора мощности этого LED-драйвера представлены на рис. 10-12.

Рис. 10. Зависимость эффективности от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Рис. 11. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Рис. 12. Зависимость фактора мощности от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Управление яркостью светодиодов осуществляется по следующему алгоритму (рис. 13): цифровой управляющий сигнал формируется контроллером пульта управления системы в соответствии с установленной на нем программой и поступает по двухпроводному оптически развязанному каналу связи в модуль интерфейса UART микроконтроллера управления УИП.

Рис. 13. Структурная схема системы индивидуального управления светодиодными светильниками

Каждый микроконтроллер управления УИП имеет уникальный адрес. В системе пульт управления имеет статус мастера интерфейсной шины, остальные устройства являются ведомыми. Физически сигнал в линии передачи данных является токовым, что обеспечивает устойчивость к внешним помехам и позволяет создавать линии связи длиной до 200 м. В каждом устройстве имеется блок сопряжения с микроконтроллером через оптическую сигнальную развязку. Блок интерфейса микроконтроллера управления модифицирует протокол LIN, уменьшая скорость обмена данными до скорости 10 кбит/с, что обеспечивает устойчивую работу канала связи на длинных расстояниях при вполне достаточной для управления системами освещения скорости. В соответствии с принятой командой микроконтроллер выдает сигнал управления (ШИМ или линейный) на вход диммирования микросхемы LED-драйвера.