Новая схемотехника для разработки недорогих светодиодных ламп

Ещё пять лет назад себестоимость светильника практически полностью определялась типом установленных в нём светодиодов, но на сегодня ситуация изменилась самым кардинальным образом. Технические характеристики светодиодов, как и многих других полупроводниковых приборов, с каждым годом улучшаются, а стоимость производства падает. Причём падает она настолько быстро, что цена многих элементов светильника (корпуса, соединительных кабелей, печатных плат, светорассеивателей и, в наибольшей степени, источника питания, или драйвера) оказывается выше, чем самих светодиодов. Это обстоятельство стимулировало разработчиков к созданию архитектуры светильников, которая позволила бы значительно снизить стоимость их источника питания.

Покупателям таких светотехнических изделий, как встраиваемые точечные лампы, линейные светильники и бытовые прожекторы, крайне важна низкая цена. И вот в ответ на их запросы появилась концепция светодиодных систем с прямым питанием от сети переменного тока, вообще исключающая необходимость применения громоздких и дорогих импульсных источников постоянного тока (Switch-Mode Power Supply, SMPS).

При создании первых светодиодных схем с прямым питанием от сети разработчики столкнулись с рядом инженерных проблем, сильно ограничивших их возможности оптимизации характеристик и конструкций светильников. Но «детские болезни» были преодолены. В настоящее время светодиодные сборки с прямым питанием обеспечивают как конкурентоспособные параметры, так и конструктивную гибкость по отношению к традиционным решениям. Что касается цен, то отметим, что на AliExpress сейчас можно приобрести «бездрайверную» светодиодную матрицу мощностью 30 Вт со световым потоком около 2000 лм за 2 доллара.

Типовой осветительный светодиод представляет собой низковольтный полупроводниковый прибор, работающий при напряжении (прикладывается в прямом направлении) около 3 В, тогда как бытовые сети переменного тока в большинстве стран мира имеют номинальное напряжение 230 В.

Светодиоды обычно подключаются в цепочку, напряжение на которой чаще всего не превышает 60 В. Следовательно, необходимо каким-то образом снизить сетевое напряжение до такого уровня или ниже. До недавнего времени с этой целью применяли импульсные источники постоянного тока. Главные их преимущества: высокий КПД, нередко превосходящий 90%, и способность обеспечить электрическую развязку от сети, а значит - повышенную безопасность. Высокий КПД получается благодаря импульсному преобразователю, в котором конденсаторы и индуктивности, работающие на высоких частотах, используются для накопления и отбора энергии, и она не рассеивается в виде тепла, как в простых линейных стабилизаторах.

В схемах SMPS необходимы громоздкие катушки индуктивности, трансформаторы и электролитические конденсаторы. Кроме того, из-за работы SMPS при повышенных температурах электролитические конденсаторы оказываются «слабым местом» - в светодиодных светильниках первыми чаще всего из строя выходят именно они. Так как импульсный преобразователь обычно работает на частоте выше 20 кГц, необходимо принимать меры по подавлению электромагнитных помех.

Схему SMPS практически невозможно разместить на одной печатной плате со светодиодами, монтируемыми для улучшения теплоотвода на односторонних платах с металлическим основанием. Почему? Во-первых, необходимые для SMPS пассивные компоненты не выпускаются в корпусах для поверхностного монтажа. Во-вторых, развести сложные цепи импульсного преобразователя на такой плате очень трудно. И, наконец, при размещении на плате рядом со светодиодами пассивные компоненты больших размеров будут создавать тень.

Таким образом, SMPS не только дороги, но и громоздки, а также неудобны для конструкторов осветительной аппаратуры.

Простейшая схема прямого питания позволяет обойтись без понижения сетевого напряжения путём динамического изменения количества включённых светодиодных элементов. Микросхема прямого питания последовательно подсоединяет дополнительные светодиоды, пока они все не загорятся вблизи пика выпрямленного сетевого напряжения.

Простейший способ реализации подобной концепции проиллюстрирован на рис. 1 и 2. Сетевое напряжение проходит двухполупериодное выпрямление. На выходе выпрямителя получается полусинусоидальное напряжение с частотой 100 Гц, колеблющееся от 0 до 325 В (при номинальном напряжении сети 230 В).

В каждом полупериоде первый высоковольтный светодиод (или цепочка низковольтных светодиодов) включается, когда напряжение достигает примерно 70 В, при 140 В к нему добавляется второй светодиод, при 210 В - третий. Все четыре светодиодных элемента горят, когда напряжение превышает 280 В.

В такой схеме избыточное напряжение предполагается «гасить» с помощью линейного стабилизатора, что вызывает повышенное тепловыделение. Несмотря на пониженную эффективность схемы питания, на практике светильник с прямым питанием может выдавать удельный световой поток до 100 лм/Вт, сравнимый с показателем 130 лм/Вт для аналогичного по мощности светильника с SMPS.

Простейшие 600-люменовые точечные лампы, которые выбирают из условия минимальной цены, имеет смысл сравнить с дихроической галогенной лампой аналогичной светимости, у которой типичное значение эффективности - примерно 10 лм/Вт: при замене подобных ламп на светодиодные с прямым питанием экономия энергии будет весьма заметной.

Для производителей важно, что в сравнении с SMPS-решением схема прямого питания позволяет изготовить светильник с одной печатной платой, который будет значительно меньше, проще и удобнее в сборке, см. рис. 3.

Стоит также отметить, что, исключая сложную плату импульсного преобразователя, можно увеличить средний срок службы светодиодных ламп, приблизив его к сроку службы самих светодиодных элементов.

Помимо пониженной энергетической эффективности простой вариант прямого питания имеет ряд других недостатков, иногда приобретающих существенное значение.

Первый из них - нагрев. Как видно на рис. 1, стабилизация тока и рассеяние мощности происходят в одной интегральной схеме (ИС), которая становится экстремально «горячей точкой» при работе лампы. Следовательно, необходимо принимать разнообразные меры по защите схем питания светильника от перегрева, в том числе использовать печатные платы с металлическим основанием и предусматривать большие зазоры между управляющей ИС и другими компонентами.

Простой вариант схемы прямого питания также неудобен с точек зрения функциональной гибкости, возможности оптимизировать характеристики светильника и выбирать различные электронные компоненты. Так, он накладывает неизбежные ограничения на формат печатной платы: единственная управляющая ИС занимает на ней много места, поэтому конструкцию трудно адаптировать к линейным источникам света вроде светодиодных лент и трубчатых ламп. Такую схему также трудно согласовать с диммерами.

Стремясь преодолеть перечисленные недостатки, инженеры разработали усовершенствованный вариант схемы прямого питания, применив распределённую архитектуру (рис. 4). Она основана на том же принципе, что и централизованная: высоковольтные светодиодные элементы включаются и выключаются один за другим в каждом полупериоде сетевого напряжения. Но в распределённой схеме управления каждым высоковольтным светодиодным элементом управляет отдельная ИС.

При использовании подобной схемы для достижения баланса между стоимостью и эффективностью в большинстве случаев применяется трёхступенчатая схема управления, но иногда встречаются двух-, четырёхступенчатые и даже варианты с числом ступеней больше четырёх.

Главное преимущество распределённой схемы управления - её конструктивная гибкость. Возможность менять топологию печатной платы, например, позволяет конструктору использовать различные варианты размещения светодиодов и достигать оптимального баланса между характеристиками, функциональностью и ценой.

Распределённый подход позволяет использовать практически любые светодиоды - как классические низковольтные, так и многопереходные высоковольтные. Так что конструктор имеет широкий выбор форматов корпусов светильников и возможностей управления характеристиками готового изделия (световым потоком, эффективностью, цветовой температурой и др.).

Кроме того, распределённая архитектура позволяет сбалансировать структуры цепей и снизить мерцание путём добавления конденсатора, а также обеспечить совместимость светильника с диммерами.

Гибкость распределённой архитектуры проявляется также в большей свободе выбора типа печатной платы, её формфактора и разводки.

Распределённую архитектуру нетрудно реализовать исключительно на компонентах для поверхностного монтажа, значит, разместить на односторонней плате. Выделение тепла происходит не в одной точке, как в схеме централизованной архитектуры, а распределяется по площади платы.

Какая бы схема прямого питания ни применялась, централизованная или распределённая, построенные на её основе светильники подвержены мерцанию с удвоенной частотой сети (100 Гц). Светодиоды на некоторое время полностью гаснут в каждом полупериоде сетевого напряжения, когда оно оказывается ниже порога зажигания первого светодиода. Но такие перерывы длятся недолго, и в большинстве случаев мерцание незаметно для пользователя, так что в недорогих устройствах, на которые и рассчитана концепция прямого питания, с этим недостатком чаще всего можно смириться.

Кроме того, как уже отмечалось, мерцание можно побороть, применяя сбалансированную топологию и добавляя накопительный конденсатор. При этом также повышаются эффективность и загрузка светодиодов. Возможно, химики для решения проблемы мерцания предложат люминофоры с послесвечением.

-------------------------------------------------------------------

Хотите оперативно узнавать о выходе других полезных материалов на сайте "ГИС-Профи"?
Подписывайтесь на нашу страницу в Facebook.
Ставьте отметку "Нравится", и актуальная информация о важнейших событиях в энергетике России и мира появится в Вашей личной новостной ленте в социальной сети.