Светодиодные лампы для автомобилей, дома и офиса

Устранение эффекта мерцания светодиодных ламп. Светодиодный драйвер и его модификации.

В предыдущей статье «Качественные светодиодные лампы. Причина мерцания светодиодных ламп» мы рассмотрели причину возникновения и характер мерцания, теперь постараемся описать, как это происходит в светодиодных лампах, и объяснить, как инженеры могут найти компромисс различных топологий драйверов в попытке найти правильную комбинацию затрат/выгод. Мы опишем волновую схему подавления в цепи, которая является экономически эффективным и гибким способом реализации мерцания светодиодного освещения.

Определив мерцание света светодиодных ламп, давайте рассмотрим, как работает светодиодный источник света. Светодиодный световой поток является почти линейным с током драйвера. Внимательно изучив спецификацию светодиодов высокой мощности, вы можете увидеть линейность в виде графиков, на участке прямого тока относительно светового потока. Такой график делает совершенно очевидным, тот факт, что текущий драйвер является основной причиной мерцания света LED, и что подача постоянного тока это основная работа светодиодного драйвера. Когда речь идёт о мерцании частотой 100-120-Гц, чаще всего мы нацелены на устройства для внутреннего освещения. Есть довольно много схем светодиодных драйверов для внутреннего освещения, которые могут обеспечить постоянный ток. Например, простые токоограничивающие резисторы, линейная регуляция полупроводников и переключение широтно-импульсной модуляции (ШИМ), одним словом есть все возможности для регулирования переменного тока после его выпрямления. Но эти схемы находятся за пределами области нашей статьи, потому что они не в состоянии обеспечить коэффициент мощности (power factor (PF)), необходимой для внутренних коммерческих приложений (устройств). Как правило, коммерческие приложения требуют PF больше, чем 0,9. Все больше и больше стран и ассоциаций стандартов, таких как Energy Star и DesignLights консорциума (DLC) требуют, чтобы освещения имело значение PF больше, чем 0,9. Можно прогнозировать, что производство различных ламп и светильников с коэффициентом мощности (PF) ниже, чем 0,9 будет прекращено в ближайшее время.

Таблица 1

Топологии драйверов

Учитывая необходимый коэффициент мощности для светодиодного освещения, рассмотрим некоторые топологии драйверов, которые можно использовать внутри помещений, с учетом их стоимости и производительности, последствиями использования каждого из них. Разнообразные подходы представлены в Таблице 1.  Рассмотрим возможность внедрения новой схемы, для снижения высокого уровня пульсации, которая широко распространена в одноступенчатых драйверах.

Рис. 1. Пассивный или "Valley Fill" корректор коэффициента мощности и  DC/DC- преобразователь, светодиодного драйвера.

Пассивный PFC (Power Factor Correction - корректор коэффициента мощности) плюс переключатель DC / DC.

На рисунке 1 изображена двухступенчатая схема, которая включает в себя пассивную стадию PFC наряду с переключением DC / DC преобразователя на втором этапе. Такая конструкция широко используется в недорогих автономных адаптерах и зарядных устройствах. Схему PF часто называют valley fill (долина заполнения) по мере того, как конденсаторы удерживают выходную мощность от падения на более низкий уровень. Благодаря схеме valley fill и объемному конденсатору, пульсация тока в этой схеме небольшая и легко регулируется. Недостатком пассивной схемы является то, что она не подходит для более высокого уровня мощности. Такие конструкции не соответствует базовому Международному стандарту IEC EN61000-3-2 (Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе)) класс С стандарт. Кроме того, пассивная схема не подходит для успешной работы с широкими универсальными диапазонами входного напряжения, такими как переменный ток 100-240 Вольт.

Рис.2. Одноступенчатый активный корректор коэффициента мощности.

Одноступенчатый активный корректор коэффициента мощности (PFC).  Одноступенчатый подход, изображённый на рисунке 2, является широко распространенной топологией для светодиодного драйвера, имеющего широкий входной диапазон. Топология обеспечивает высокую эффективность преобразования энергии и значение PF с широким диапазоном нагрузки, вдобавок. Недостатком является высокий уровень пульсации тока, что приводит к видимому или невидимому мерцанию при 100-120-Гц. И хотя можно уменьшить уровень пульсации тока, при этом, сильно не повышая стоимость, но уровень пульсации все равно остаётся выше, чем в двухступенчатой схеме. Одной из интересных особенностей одноступенчатой топологии является то, что пульсации сильно зависит от различных напряжений и токов, характеристик, которые являются специфическими нагрузками для каждого светодиода. Разработчики светодиодных драйверов ищут способы улучшения контроля над пульсацией в одноступенчатой конструкции.

Рис.3. Одноступенчатый активный корректор коэффициента мощности плюс DC/DC-преобразователь, светодиодного драйвера.

Один из способов решить проблему пульсации тока на выходе является добавление второго активного этапа следующего за активным этапом PFC. На рисунке 3 показана топология с добавлением стадии DC/DC преобразователя. Однако добавление DC/DC преобразователя в драйвере сопровождается увеличением расходов на 15-20%. Эта схема значительно снижает пульсации тока на выходе и делает вывод постоянного тока почти идеальным, за счет потери эффективности 2-3%. Кроме того, эта конструкция может покрыть большую часть уровней мощности, необходимых для светодиодного освещения, широко используемых внутри помещений.

Рис. 4.  Блок схема супрессора пульсации.

Одноступенчатый корректор коэффициента мощности и подавитель пульсации.

В идеале, разработчики систем светодиодного освещения предпочли бы менее затратный метод снижения пульсации на выходе, и это возвращает нас к одноступенчатому методу. К счастью, существует еще одно отличное решение для снижения пульсации тока на выходе, на схеме это выглядит гораздо проще, чем DC/DC преобразователь. Вы можете разделить на сегменты одноступенчатую схему с относительно простой линейной цепью супрессора пульсации, как изображена в качестве примера на рисунке 4. Модифицированная одноступенчатая топология использует уникальный дизайн, линейный регулятор, который может значительно снизить пульсации тока на выходе из одноступенчатого PFC, получив при этом только 2-3% потери эффективности постоянного тока на  выходе. Подход открывает дополнительные преимущества. Добавление этапа переключения DC/DC в драйвер уравнивает характеристики электромагнитной совместимости в большинстве случаев, чего не происходит при добавлении линейного регулятора. Превосходные характеристики электромагнитной совместимости, создают возможность производителям светодиодных ламп, для гибкого применения супрессора пульсации к существующим одноступенчатым светодиодным драйверам. Добавление цепи на выходе является с экономической точки зрения более эффективным решением, чем покупать другой драйвер либо переключатель DC / DC преобразователя, чтобы получить намного лучшую светоотдачу. Эта схема супрессора пульсации используется последовательно с одноступенчатым PFC, и в основном состоит из мощного MOSFET,  тока чувствительного резистора и ошибка усилителя. MOSFET – это сокращение от двух английских словосочетаний: Metal-Oxide-Semiconductor (металл - окисел -полупроводник) и Field-Effect-Transistors (транзистор, управляемый электрическим полем). Поэтому MOSFET – это обычный МОП-транзистор - полевой транзистор с изолированным затвором. Чувствительный резистор получает токовый сигнал пульсаций и если пульсации больше, чем заданное значение, выходной  ошибка усилитель регулирует напряжение на MOSFET таким образом, чтобы пульсация была меньше. Эти простые компоненты могут быть размещены в очень компактном корпусе или даже встроены в интегральную схему.

Рис. 5. Исходящий ток из одноступенчатого драйвера

Результаты испытаний драйвера.

Рассмотрим результаты тестов супрессора пульсации, Рисунок 5 изображает напряжение и ток на выходе типичного одноступенчатого драйвера. Устройство мощностью 42W поставляет 700 мА нагрузки на светодиод. На графике в текущей форме волны явно заметна пульсация.

Рис. 6. Исходящий ток из драйвера с применением схемы супрессора пульсации.

На рисунке 6 приведён график исходящего сигнала  из того же 42W драйвера с подключенным супрессором пульсации на  выходе. На графике видно, как супрессор эффективно обрезает амплитуды пульсаций до приемлемого уровня, тем самым устраняя мерцание.

По мере развития производства светодиодного освещения, такие функции,  как высокая эффективность и долгий срок службы не смогут удовлетворять рынок. Люди ищут наилучшие способы освещения, особенно когда это связано со здоровьем. Для освещения таких мест, как жилые помещения и офисы устранение эффекта мерцания очень важным вопросом.

Выбор качественной светодиодной продукции, светодиодных ламп, светодиодных светильников, позволит вам и вашим детям чувствовать себя комфортно в освещенной комнате, позволит сохранить здоровое состояние ваших глаз и ваше общее психическое состояние, ограничивая Вас от раздражения вызываемого казалось обычным мерцанием света.

Статья подготовлена с использованием материалов электронной версии журнала  LED MAGAZINE

сайт: www.ledsmagazine.com

Реклама

Лидеры продаж