Почему бы не прямой привод переменного тока вашей светодиодной цепочки?

В соответствии с историей других типов полупроводниковых продуктов, светодиоды предлагают лучшую производительность при меньших затратах с каждым годом.

Фактически, настолько, что другие элементы обычного светодиодного светильника - корпус, разъемы, печатная плата, оптика и, прежде всего, источник питания - взяли на себя большую долю общей стоимости системы, которую пять лет назад будет доминировать стоимость только светодиодов.

Это привело к попыткам создать гораздо более дешевую архитектуру, значительно снизив стоимость источника питания. В типах светильников, таких как низкоуровневые светильники, линейные светильники и переборки, низкая стоимость является наиболее важным атрибутом для покупателей. Здесь концепция «светодиодных систем переменного тока» была разработана для того, чтобы полностью исключить необходимость в обычном (но громоздком и дорогостоящем) импульсном источнике питания переменного тока (SMPS).

Однако первые реализации светодиодных систем AC-direct дали их дизайнерам непростые проблемы с дизайном, которые необходимо было решить, и серьезно ограничили их свободу в оптимизации эксплуатационных характеристик и форм-фактора светильника.

Теперь улучшенная архитектура для светодиодных систем AC-direct обеспечивает конкурентоспособную производительность и гибкость проектирования. Но это идет по приемлемой цене?

Рисунок 1: простая реализация AC-direct с четырьмя светодиодами

Зачем разрабатывать SMPS?
Обычный светодиод высокой яркости представляет собой низковольтное устройство, обычно имеющее прямое напряжение около 3 В. Питание от сети подается примерно на 120 В или 240 В, в зависимости от того, в какой части мира находится пользователь.

Поэтому для светильника требуется способ понижения напряжения сети переменного тока до прямого напряжения постоянного тока светодиода или цепочки светодиодов, как правило, ниже 60В.

На сегодняшний день наиболее распространенным способом сделать это является SMPS. Основным преимуществом SMPS является его превосходная эффективность, иногда превышающая 90%, в сочетании с его способностью обеспечивать электрическую изоляцию (в целях безопасности).

Его эффективность является атрибутом архитектуры с переключением режимов, которая экономит энергию и разряжает энергию от катушек индуктивности и конденсаторов на очень высокой скорости, сохраняя, таким образом, энергию на пике колебания напряжения переменного тока, а не рассеивая его, как простую линейную Регулятор делает.

К сожалению, SMPS требует громоздких индукторов или трансформаторов и конденсаторов. Более того, тип электролитических конденсаторов, используемых в источниках питания, имеет гораздо более ограниченный срок службы, чем другие компоненты - обычно это первый компонент в светодиодной системе освещения, который выходит из строя. Контрмеры EMI также необходимы, потому что SMPS обычно переключаются на высоких частотах 20 кГц или больше.

И SMPS не может быть легко установлен на той же плате, что и светодиоды. Односторонняя медная конструкция с металлическим сердечником на печатной плате (MCPCB) делает маршрутизацию схемы SMPS очень сложной, а требуемые пассивные устройства, как правило, недоступны в корпусах для поверхностного монтажа. FR4 (наиболее распространенный тип подложки печатной платы) предлагает больше слоев маршрутизации, но изоляция и термическое управление могут усложниться с этим типом печатной платы. В любом случае, большие пассивные компоненты в SMPS будут создавать тени, если размещены слишком близко к светодиодам.

SMPS, таким образом, является громоздким, создает некоторые трудности при проектировании и является относительно дорогим как с точки зрения стоимости материалов, так и затрат на сборку.

Более простой подход - не уходить
Это дало производителям микросхем регулирования мощности стимул для разработки более простой архитектуры, в которой высоковольтные светодиоды подключаются напрямую от сетевого напряжения, не снижая это напряжение.

Схема прямого переменного тока позволяет достичь этого путем последовательного включения светодиодов, следующих за синусоидальным напряжением сети. Подходящие светодиоды для этого применения включают LUXEON 3535 HV от Lumileds, а также серии 5630 HV, 5250 HV и 3030N HV от LG Innotek.

Простейшая реализация концепции схематически показана на рисунках 1 и 2.

Рисунок 2: ИС прямого регулирования переменного тока постепенно включает каждый светодиод, пока все не загорятся на пике сетевого напряжения.

Сетевое напряжение переменного тока выпрямляется (поэтому отрицательная половина цикла становится положительной). Этот выпрямленный выходной сигнал представляет собой полусинусоидальную волну 100 Гц, которая обычно колеблется между 0 В и около 325 В, если номинальное напряжение сети составляет 230 В.

В каждом полупериоде первый высоковольтный светодиод (или цепочка светодиодов) включается, когда напряжение достигает 70 В, второй добавляется при 140 В, третий - при 210 В. Все четыре светодиода светятся до тех пор, пока напряжение не превышает 280 В.

Эта схема регулирования означает, что существует избыточное напряжение, которое должно рассеиваться через линейный регулятор, генерируя отходящее тепло.

Такие потери мощности обязательно снижают эффективность системы по сравнению с решением SMPS. Но на практике такая конструкция светодиодов с прямым питанием от переменного тока может достигать общей эффективности системы до 100 лм / Вт по сравнению с 130 лм / Вт для эквивалентного светильника с использованием SMPS.

В простом, недорогом приложении, таком как подвесной светильник на 600 лм, возможно, более поучительное сравнение с эквивалентной дихроичной галогенной лампой, которая предлагает типичную эффективность системы около 10 лм / Вт: возможно огромное снижение потребляемой мощности, если такая лампа заменяется светодиодной лампой высокого напряжения переменного тока.

И по сравнению с аналогом SMPS, конструкция AC-direct значительно меньше, намного проще и намного проще в сборке, поскольку для нее требуется всего одна печатная плата (см. Рисунок 3).

Рисунок 3: светодиодная лампа, использующая схему прямого регулирования переменного тока

Тем не менее, в дополнение к снижению эффективности, простая форма регулировки светодиодов с прямым переменным током имеет и другие недостатки, которые приобретают большое значение в некоторых приложениях.

Одним из них является тепло. Как показано на рисунке 1, регулирование тока и рассеиваемая мощность сосредоточены в одной микросхеме. В нормальном режиме это делает IC экстремальной «горячей точкой». Это требует специальных контрмер, чтобы избежать риска повреждения при перегреве, включая использование MCPCB и схемы платы с широкими зазорами между другими компонентами и регулирующей ИС.

Эта централизованная форма прямого регулирования переменного тока также не обладает гибкостью с точки зрения функциональности и оптимизации производительности, а также выбора компонентов. Это проявляется, например, в ограничениях на компоновку платы: одиночная ИС регулятора занимает большую площадь платы, и поэтому ее трудно разместить в линейных форматах, таких как полосы света и замены люминесцентных ламп. Схема также ограничена в своей гибкости для реализации таких функций, как затемнение.

Эти недостатки привели к разработке расширенной версии схемы регулирования светодиодов переменного тока: вместо централизованной реализации, показанной на рисунке 1, производитель электропитания Exar (через свою дочернюю компанию iML) разработал распределенную архитектуру. (Рисунок 4)

Рисунок 3: светодиодная лампа с использованием SMPS

Принцип работы такой же, как в схеме централизованного управления: высоковольтные светодиоды включаются и выключаются последовательно во время каждого полупериода питания. Но в схеме распределенного управления отдельная ИС, такая как iML8684, регулирует каждую высоковольтную цепочку светодиодов.

Сочетая стоимость и эффективность, большинство реализаций используют трехступенчатую схему регулирования (с тремя цепями светодиодов высокого напряжения), но также возможны двух- или четырехступенчатые схемы или даже схемы с более чем четырьмя ступенями.

Основным преимуществом схемы распределенного управления является ее гибкость проектирования. Например, гибкость топологии схемы позволяет разработчику системы приспосабливать различные схемы размещения светодиодов и обеспечивать наилучший баланс между производительностью, функциональностью и стоимостью.

Распределенный подход позволяет выбрать практически любой светодиод, как классические низковольтные, так и многопереходные высоковольтные светодиоды. Это дает дизайнеру гораздо более широкий выбор стилей упаковки и технических характеристик (флюс, эффективность, цветовая температура и цветопередача).

Он также поддерживает компактные реализации с использованием небольшого количества светодиодов с высокой интенсивностью потока, а также конструкции с более рассеянным светоотдачей с использованием большего количества светодиодов с меньшей интенсивностью потока.

Кроме того, снижение совместимости с мерцанием и фазовым диммером может быть получено как с помощью сбалансированной структуры цепей, поддерживаемой распределенной архитектурой, так и путем добавления одного конденсатора, и легко добавить слив для лучшей совместимости со схемами симисторного диммера.

Гибкость распределенной архитектуры для светодиодных систем переменного тока также реализуется благодаря большей свободе выбора типа печатной платы, форм-фактора и компоновки.

Рис. 4: трехступенчатое регулирование с тремя интегральными схемами регулятора и балластным транзистором является наиболее распространенным способом реализации прямого распределения переменного тока

Это связано с тем, что распределенная архитектура может быть легко реализована полностью с использованием компонентов для поверхностного монтажа, а ее простая электрическая схема может быть относительно легко размещена на односторонней печатной плате. В распределенной архитектуре тепло рассеивается более широко благодаря большому количеству интегральных схем драйверов, что устраняет единственную горячую точку, обнаруживаемую в традиционных системах светодиодов с прямым питанием от переменного тока.

Это означает, что в распределенных схемах часто может использоваться печатная плата FR4, при этом достигается более компактная компоновка с меньшим расстоянием между компонентами. Кроме того, небольшие низкопрофильные компоненты, используемые в распределенных схемах, позволяют конструктору реализовывать светильники в любом форм-факторе, включая линейные полосы и равномерно распределенные световые двигатели без темных теней.

Распределенная схема также предлагает другие преимущества по сравнению с централизованным регулированием. Топология Exar обладает высокой устойчивостью к скачкам напряжения (переходного напряжения)> 750 В. В централизованной схеме, напротив, защита от перенапряжений требует добавления большого дискретного металлооксидного варистора (MOV). MOV подвержен долговременным проблемам с надежностью, поскольку он имеет ограниченную способность поглощать энергию скачков переходного напряжения, которые характерны для сети переменного тока. Что еще хуже, эти варисторы не всегда доступны в версиях для поверхностного монтажа и стоят дорого.

Опасения по поводу мерцания
Как в централизованной, так и в распределенной реализации светодиодного регулирования переменного тока, дизайнеры освещения выразили некоторую обеспокоенность по поводу проблемы мерцания. В обеих схемах светодиоды гаснут в каждом полупериоде сети (то есть каждую 1/100 секунды в сети 50 Гц), когда напряжение составляет около 0 В.

Фактически, мерцание происходит за такой короткий интервал, что в большинстве приложений оно не будет восприниматься любым пользователем. В недорогих приложениях, для которых предназначено прямое регулирование переменного тока, низкий уровень мерцания будет терпимым.

Однако принятие сбалансированной топологии цепей и добавление небольшого резервуарного конденсатора может как уменьшить мерцание, так и улучшить эффективность и использование светодиодов, таким образом уравновешивая часть дополнительных затрат на распределенную архитектуру.

Распределенная схема: компромисс между стоимостью и производительностью
Распределенная версия прямого регулирования AC, впервые разработанная и запатентованная компанией Exar, предоставляет разработчику уникальную свободу для достижения оптимизации дизайна, а также дает большой контроль над компромиссами между производительностью, функциональностью и стоимостью.

Простейшая реализация распределенного решения, как правило, дешевле, чем централизованный подход, в то время как более сложные конструкции предлагают возможность добавлять ценные дополнительные функции. Например, такие функции, как обнаружение присутствия или управление диммированием DALI, могут быть размещены в распределенной системе светодиодов прямого переменного тока.

Каждое приложение будет иметь собственный баланс требований к производительности и затратам, но беспрецедентная гибкость проектирования распределенного подхода заслуживает внимания разработчиков систем, которые хотят внедрить прямое регулирование переменного тока в новом поколении недорогих светодиодных светильников.

Франсуа Миранд - технический директор Future Lighting Solutions Europe.

Похожие

Комментарии