Обзор LED-драйверов для светодиодных ламп широкого потребления

Введение

Популярность светодиодных (LED) ламп обусловлена рядом объективных факторов: 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, возможностью использования в модульных осветительных системах, где из-за выгорания одного или нескольких светодиодов немедленной замены LED-лампы не потребуется в силу того, что общая светоотдача системы изменится незначительно.

Светодиодные лампы обычно состоят из светодиодного модуля и платы источника тока (LED-драйвера), размещенных в корпусе-радиаторе. LED-драйвер коммутирует светодиодный модуль с сетью переменного тока и представляет собой импульсный преобразователь напряжения с интегрирующим элементом, которым является дроссель. Основными параметрами, характеризующими светодиодные драйверы, являются: эффективность (КПД); коэффициент мощности; зависимость выходного тока от входного напряжения; уровень гармонических составляющих входного тока (соответствие ГОСТ Р 51317.3.2-2006); количество компонентов, влияющее на стоимость конечного изделия. В последнее время разработчики LED—ламп все больше внимания уделяют еще и таким параметрам, как долговечность и надежность, поскольку они делают экономический эффект от использования светодиодных источников света еще более привлекательным, несмотря на то, что цена таких ламп выше. Для этой цели используются качественные комплектующие, особенно LED—диоды и электролитические конденсаторы, и там, где возможно, последние заменяются на керамические. Использование схемотехнических решений, исключающих электролитические конденсаторы, позволило бы увеличить срок службы драйвера до 80 000 ч и более.

В настоящее время на рынке появилось много светодиодных ламп для внутреннего освещения с noname светодиодными драйверами производства китайских фирм. Как правило, в них используются LED-драйверы как с гальванической развязкой от сети переменного тока, так и без развязки, т. е. изолированные и неизолированные. В данной статье рассмотрены схемотехника и параметры этих драйверов, показаны их недостатки и преимущества, предложен вариант реализации LED-драйвера ООО НПП «Микроника».

Неизолированные noname светодиодные драйверы

Типовая схема неизолированных светодиодных драйверов содержит фильтр радиопомех, блок выпрямителя, схему управления со встроенным активным либо внешним пассивным корректором мощности, блок ключа с интегрирующим элементом, а также может включать в себя цепь обратной связи для контроля выходного тока. Были исследованы пять различных неизолированных драйверов, сделанных в Китае, для светодиодных ламп Т8 и GU10. Внешний вид драйверов, их блок-схемы и результаты измерений приведены на рис. 1–7 и в таблицах 1, 2. Исследование эффективности, фактора мощности и уровня гармонических составляющих входного тока проводилось с помощью измерителя Chroma 66202.

Примечание: * — значения гармоник, выходящие за пределы норм ГОСТ Р 51317.3.2-2005

Светодиодный драйвер № 1 для ламп Т8 мощностью 10 Вт представляет собой импульсный преобразователь напряжения с произвольным изменением напряжения (buck-boost converter) с контролем выходного тока по цепи обратной связи через оптопару и с активным корректором коэффициента мощности (ККМ). Внешний вид драйвера и его блок-схема приведены на рис. 1.

Рис. 1. Драйвер No 1 для ламп Т8 мощностью 10 Вт с цепью обратной связи через оптопару и активным ККМ:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Светодиодный драйвер № 2 для 10-Вт ламп Т8 представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с контролем выходного тока через цепь обмотки трансформатора и активным ККМ. Внешний вид драйвера и его блок-схема показаны на рис. 2.

Рис. 2. Драйвер No 2 для 10-Вт ламп Т8 с контролем выходного тока через цепь обмотки трансформатора и активным ККМ:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Светодиодный драйвер № 3 для 10-Вт ламп Т8 представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с контролем выходного тока по цепи обратной связи через оптопару с пассивным корректором мощности (рис. 3).

Рис. 3. Драйвер No 3 для 10-Вт ламп Т8 с контролем выходного тока по цепи обратной связи через оптопару с пассивным корректором мощности:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Светодиодные драйверы № 4, 5 для 10-Вт ламп Т8 и 5-Вт ламп GU10 представляют собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с пассивным ККМ (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид: а) buck-драйвера No 4 для 10-Вт ламп Т8;
б) buck-драйвера No 5 для ламп GU10 мощностью 5 Вт;
в) блок-схема драйверов с пассивным корректором мощности

Изолированные noname светодиодные драйверы

Типовая схема изолированных светодиодных драйверов в отличие от неизолированных содержит трансформатор, необходимый для развязки первичной и вторичной цепей схемы, что делает драйверы более безопасными. На рынке таких устройств представлено гораздо меньше. Были исследованы два различных изолированных драйвера для светодиодных ламп Т8 и E27. Внешний вид драйверов, их блок-схемы и результаты измерений приведены на рис. 8–11 и в таблицах 1, 2.

Рис. 5. Зависимость эффективности от входного напряжения неизолированных LED-драйверов No 1–5

Рис. 6. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения неизолированных LED-драйверов No 1–5

Рис. 7. Зависимость тока светодиода от входного напряжения неизолированных LED-драйверов No 1–5

Светодиодные драйверы № 6, 7 для 10-Вт ламп Т8 и 3-Вт E27 представляют собой обратноходовой импульсный преобразователь напряжения (flyback converter) с контролем выходного тока через цепь первичной обмотки трансформатора. Драйвер № 7 содержит ИМС с активным корректором мощности, а в драйвере № 6 отсутствует фильтр радиопомех и какой-либо корректор мощности. Внешний вид драйверов и их блок-схема показаны на рис. 8.

Рис. 8. Внешний вид flyback изолированных драйверов:
а) No 7 для 10-Вт лампы Т8;
б) No 6 для 3-Вт лампы E27;
в) блок-схема

Изолированные LED-драйверы компании «Микроника»

Компанией «Микроника» на основе собственной микросхемы МСА1501 разработаны гальванически изолированные от сети драйверы для входных напряжений 170–255 и 90–255 В, отличающиеся хорошей эффективностью, очень точным выходным током, высоким коэффициентом мощности и соответствующие ГОСТ Р 51317.3.22006 по уровню гармоник входного тока во всем диапазоне входных напряжений. Основной упор при разработке драйвера делался на надежность и долговечность посредством использования качественных комплектующих, особенно электролитических конденсаторов, качественных полупроводниковых приборов и применение схемотехнических решений по стабилизации выходного тока, тем самым продлевающих срок службы LED-диодов.

Рис. 9. Зависимость эффективности от входного напряжения для драйверов No 6, 7

Рис. 10. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения для драйверов No 6, 7

Рис. 11. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения для драйверов No 6, 7

Микросхема MCA1501 представляет собой сетевой светодиодный контроллер с ККМ. Контроллер предназначен для использования в сетевых светодиодных источниках света низкой и средней мощности. Он разработан для управления обратноходовыми понижающими или повышающими преобразователями, работающими в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode). В режиме критической проводимости схема находится в автоколебательном режиме, включение которого обеспечивается детектором нулевой энергии трансформатора (вывод ZСD), а выключение обеспечивается компаратором (вывод CS), чувствительным к току. Также в микросхеме имеется усилитель ошибки обратной связи, точный источник опорного напряжения, таймер перезапуска, схема защиты от перенапряжения. Блок-схема микросхемы MCA1501 показана на рис. 12.

Рис. 12. Упрощенная блок-схема микросхемы MCA1501

Светодиодные драйверы компании «Микроника» были разработаны для 10-Вт ламп Т8 и представляют собой гальванически изолированные от сети обратноходовые импульсные преобразователи напряжения (flyback converter) с контролем выходного тока через цепь обратной связи через оптопару и активным ККМ. Драйвер для входных напряжений 90–255 В дополнительно содержит блок быстрого запуска (выделен пунктирной линией). Внешний вид драйверов и их электрическая схема показаны на рис. 13.

Рис. 13.
а) Внешний вид;
б) электрическая схема изолированного flyback драйвера для 10-Вт ламп Т8 (пунктиром выделены дополнительные элементы для варианта с входным напряжением 90–255 В)

Обсуждение результатов

Значения основных гармонических составляющих входного тока (THD) для всех рассмотренных драйверов приведены в таблице 1, а их основные параметры обобщены в таблице 2. Суммарные гармонические искажения в таблице 2 приведены для всех измеренных 40 гармоник.

Рис. 14. Зависимость эффективности от входного напряжения

Рис. 15. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения

Рис. 16. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения

Из приведенных выше данных можно сделать следующие выводы.

Во-первых, для достижения хороших результатов по всем параметрам (эффективность, коэффициент мощности, THD и стабильность тока LED) приходится разрабатывать довольно сложные схемы, содержащие 60 и более элементов на плате, что видно на примере драйвера № 1 и драйвера компании «Микроника», в которых используются блоки, обеспечивающие высокую стабильность тока LED<±0,25%, высокий коэффициент мощности (0,99/0,945 при 110/220 В у образца № 1 и 0,991/0,967 при 110/220 В у драйвера компании «Микроника») и низкий уровень гармонических искажений (13,6/17,3% и 12,1/13,3% соответственно).

Исключение цепи обратной связи в драйверах № 2 и 7 дает увеличение эффективности до 90,7/90,2 и 89,5/89,4% соответственно при 110/220 В, но при этом ухудшается стабильность по току до ±(1–1,25)%.

Эффективность изолированных драйверов примерно на 1–3% меньше эффективности неизолированных за счет потерь в трансформаторе, что является причиной отличия по этому параметру между образцом № 1 и драйвером компании «Микроника»

Использование пассивной коррекции мощности на 4–11% снижает коэффициент мощности по сравнению с активной коррекцией, а при отсутствии коррекции мощности на драйвере № 6 коэффициент мощности составляет всего лишь 0,576/0,596 при 110/220 В. Тест на соответствие уровню гармонических составляющих входного тока ГОСТ Р 51317.3.2-2006 во всем диапазоне входных напряжений проходят драйверы с активной коррекцией мощности № 1, 2, 7 и драйвер компании «Микроника». Драйверы с пассивной коррекцией мощности № 3, 4, 5 проходят тест только для высоких напряжений, а № 6 из-за отсутствия блока коррекции мощности этот тест не проходит.

Заключение

Проведенные исследования noname LED-драйверов и драйвера компании «Микроника» показали, что наилучшие результаты по эффективности, коэффициенту мощности, THD и стабильности тока LED в диапазоне входных напряжений 90–255 В показывают LED-драйверы с активной коррекцией мощности и схемой обратной связи.