Светодиоды в целом, и, в частности, мощные (более 1 Вт) светодиоды очень чувствительны к различным внешним факторам, которые могут негативно сказаться на их сроке службы и качественных показателях. В настоящее время величины максимальных питающих токов для светодиодов имеют весьма ощутимые значения: до 1…1,5 и даже до 2 А по сравнению с 0,35 А, на которые чаще всего нормируются характеристики светодиода. Желание получить максимальный световой поток с одного полупроводникового излучателя ведет к увеличению тока, пропускаемого через него, что отражается на его тепловыделении, и вся конструкция (светодиод + светодиодная арматура) работает на грани перегрева кристалла. При этом к источнику питания предъявляются высокие требования по стабильности выходных характеристик, которые он должен обеспечить. Это является довольно проблематичным при использовании для питания источника напряжения. Во-первых, предварительное выравнивание тока в цепи светодиодов потребует, по крайней мере, дополнительного резистора, который будет ограничивать ток и в то же время рассеивать на себе дополнительную мощность. Во-вторых, любая осветительная установка работает в некотором диапазоне температур, часто довольно широком, а светодиод, обладая отрицательной зависимостью прямого падения напряжения от температуры кристалла — обычно на уровне -2…-4 мВ/°С, будет иметь плавающую рабочую точку. В-третьих, свой вклад будет вносить нестабильность выходных характеристик самого источника. Эти причины изрядно сократят жизнь современному источнику света, особенно в случае его работы на токах, близких к максимальным. Так, повышение напряжения на переходе всего на 0,1 В будет причиной изменения силы тока на 200 мА, что приведет к повышенному тепловыделению и может крайне негативно сказаться на работе светового прибора.
ВАХ на рисунке 1 показывает, насколько важно использование блока питания (БП) с регулированием по току, а не по напряжению. Повышение напряжения питания на светодиоде на 3% (0,1 В) приводит к росту тока в первом приближении на 20% (200 мА). Соответственно, на 40% растет потребляемая мощность и тепловая отдача, что неизбежно приведет к перегреву, деградации структуры кристалла и выходу из строя светодиода. При кратковременном сильном превышении питающего светодиод тока может начаться деградация кристалла диода, за которой также последует выход из строя.
Рис. 1.
Понижение напряжения на диоде также нежелательно, так как при его падении на 3% от номинального, что соответствуют падению тока на 200 мА, мы теряем более 50% светового потока, что видно из зависимости относительного потока светодиода от питающего тока (рис. 2).
Рис. 2.
Самым простым способом обеспечить необходимый ток питания светодиода является применение высокочастотных (десятки кГц) широтно-импульсных преобразователей (ШИМ), способных поддерживать необходимый средний ток в широком диапазоне мощностей подключенного оборудования. В обиходе светотехников и электриков такие БП часто называют светодиодными драйверами. Некоторые модели в выходной цепи преобразуют чистый ШИМ-сигнал (прямоугольные импульсы) в более сглаженную кривую, среднее значение которой находится на уровне желаемого среднего тока.
Высокая частота работы блока питания обусловлена, прежде всего, требованиями к отсутствию видимых пульсаций источников света. Особенностью конструкции ШИМ-схем является также то, что существует запас для понижения сетевого напряжения, при котором световой поток оборудования не снижается, но уменьшается частота пульсаций выходного сигнала, особенно сильно проявляющаяся при работе БП на нагрузках, близких к максимально допустимым. К примеру, блоки питания компании Inventronics могут работать в диапазоне действующих значений напряжения сети питания от 90 до 305 В, при этом частота пульсаций выходного сигнала все еще значительно превышает порог, при котором мигание светодиода может быть заметным, т.е. явление фликера (мигания источника света согласно ГОСТ 13109-97) сводится к нулю. Таким образом, ШИМ-блоки питания могут быть рекомендованы для использования в осветительном оборудовании на расстоянии от региональных центров на территории России, где напряжения в сети может быть ощутимо ниже стандартных (действующее значение напряжения в сети может падать до 150 В и менее в регионах, удаленных от крупных электростанций), а кратковременные перенапряжения, вызванные подключением мощных удаленных потребителей, могут достигать 260 В и более.
Другой особенностью использования БП с ШИМ является простота интеграции с управляемыми диммерами. При этом БП могут получать информацию о степени ослабления светового потока по каналам 1…10 В, DMX, DALI или другим протоколам. Также нельзя не упомянуть малые габаритные размеры ШИМ-блока питания, позволяющие минимизировать размеры корпуса ОП с интегрированным БП или упростить установку внешнего блока питания недалеко от светильника.
Есть и другой подход к исполнению блоков питания: для упрощения адаптации к существующим сетям, минимизации объема БП внутри светильников и организации низковольтной сети по принципам электробезопасности используются отдельный низковольтный источник напряжения (12 или 24 В) за пределами корпуса осветительного прибора (ОП) и малогабаритный ШИМ-преобразователь внутри светильника. Несмотря на кажущуюся простоту, при таком подходе можно столкнуться с рядом серьезных опасностей при монтаже. В частности, при ошибке в полярности подключения ШИМ-преобразователь сразу выходит из строя.
Очень важным параметром любого импульсного блока питания является величина гармонических и нелинейных искажений формы питающего напряжения, которые он создает в сети. Они отрицательно сказываются на проводке электросети и потребителях, подключенных к ней. Это влияние выражается не только в различных помехах, которые сказываются на чувствительных электроприборах, но также и в самой трехфазной сети, в нулевом проводнике которой могут протекать токи, превышающие токи в фазных проводниках. Причина состоит в том, что импульсный БП потребляет из сети мощность лишь на пиках питающего напряжения; потребляемый ток имеет форму небольшого импульса и содержит в себе широкий набор гармонических составляющих. В случае симметричной нагрузки в нулевом проводнике высшие гармоники тока компенсируют друг друга (сдвиг фаз относительно друг друга составляет 120°), но это не относится к высшим гармоникам, кратным трем, которые в нулевом проводнике окажутся сложенными.
Коэффициент мощности l — комплексный показатель искажения потребляемой из сети мощности, который учитывает не только сдвиг фазы, но и искажение формы потребляемого тока (наличие гармонических составляющих). ГОСТ Р 51317.3.2-2006 устанавливает нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С (таблица 1).
Таблица 1. Нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С
| Порядок гармонической составляющей, n |
Максимальное допустимое значение гармонической составляющей тока, % основной гармонической составляющей потребляемого тока |
|---|---|
| 2 | 2 |
| 3 | 30 l * |
| 5 | 10 |
| 7 | 7 |
| 9 | 5 |
| 11≤n≤39 (только для нечетных гармонических составляющих) | 3 |
| * Коэффициент мощности цепи | |
При этом данные нормы устанавливаются для световых приборов с активной потребляемой мощностью более 25 Вт, однако следует полагать, что распространение энергоэффективных маломощных светодиодных светильников заставит существенно снизить эту планку или вовсе отменить ограничение.
Для минимизации вносимых в сеть искажений применяют устройства, компенсирующие вышеуказанные помехи и приближающие коэффициент мощности к единице. В то время как для приборов с фиксированной потребляемой мощностью применяют пассивные компенсационные конденсаторы (например, в ПРА для металл-галогенных или люминесцентных ламп), в импульсные БП интегрируют активные компенсационные устройства, максимально приближающие их характеристики к резистивным в широком диапазоне подключенных нагрузок.
Несоблюдение этих норм негативно сказывается как на качестве питающей электроэнергии, так и на работе устройств и состоянии инфраструктуры. Предприятия, превышающие эти нормы, облагаются штрафами и вынуждены устанавливать дополнительные конденсаторные установки. Однако потребление электрической энергии предприятием в большой степени прогнозируемо, что и позволяет обойтись пассивной коррекцией.
Блоки питания на ШИМ с компенсаторами вносят крайне малые искажения в сеть. Например, серия мощных БП EUC (рис. 3) от Inventronics обеспечивает значение коэффициента мощности в пределах 0,97…0,99.
Рис. 3.
КПД современных блоков питания с широтно-импульсными модуляторами достигает величины 92% и более, что немаловажно, т.к. затрачиваемая ими энергия уходит в нагрев. Соответственно, чем выше КПД, тем меньше требуется эффективная площадь рассеяния радиатора и, соответственно, тем меньше будут габариты и масса БП, за которыми, безусловно, следует снижение стоимости драйвера.
В настоящее время БП производятся с корпусами в различном исполнении: как для установки внутрь СП, встройки в мебель или размещения в помещениях, так и во влагозащищенных корпусах с различными показателями пылевлагозащиты (IP): от IP23, допустимых к установке в сухих помещениях, и IP54 для установки во влажных помещениях и под навесом, до влагозащищенных с корпусами IP67, подходящих для установки снаружи помещений. Малораспространенная группа БП с IP68 предназначена для установки в грунт без дополнительных корпусов.
Цветовые характеристики светодиода также могут отклоняться при изменении тока питания. Например, диаграмма зависимости цветовых координат от рабочего тока мощного светодиода Osram Dragon plus (рис. 4) показывает относительное смещение цветовых координат излучения.
Рис. 4.
В первую очередь это относится к световым приборам с возможностью управления и создания различных цветодинамических сцен. Так при использовании световым прибором большого диапазона рабочих токов цветовые координаты в пространстве могут смещаться на 0,01 единиц по оси x и на 0,015 единиц по оси y. Это смещение в холодном белом диапазоне может достигать несколько сотен Кельвин (до 700К). Но в повседневных применениях этот фактор практически не заметен. Влияние изменения величины питающего тока исчезает в случае питания светодиодов ШИМ-сигналом, а управление можно осуществлять изменением скважности сигнала.
Заключение
На рынке появился большой объем светодиодной продукции, оснащенной качественными БП и самыми различными видами оптики. Большая их часть производится с использованием мощных светодиодов. Ряд приборов ведущих мировых производителей можно уже считать проверенными временем, так как они не первый год успешно и безотказно работают на самых различных объектах в России и за рубежом.
Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:
Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.
Назначение и принцип работы
Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.
Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.
- Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
- Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
- Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.
В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.
Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .
Обзор известных моделей
Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.
Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.
Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .
Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.
Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.
Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.
Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.
Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.
Стабилизатор на LM317
В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.
LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.
Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.
Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:
Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:
Регулируемый стабилизатор
Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:
Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками
Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.
Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.
Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.
Какой стабилизатор использовать в авто
Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.
Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .
Вывод
Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.
Сегодня в продаже можно увидеть множество различных типов источников питания для светодиодов. Данная статья призвана облегчить выбор нужного вам источника.Прежде всего, рассмотрим различие стандарного блока питания и драйвера для светодиодов . Для начала нужно определиться - что такое блок питания? В общем случае это - источник питания любого типа, представляющий собой отдельный функциональный блок. Обычно он имеет определенные входные и выходные параметры, причем неважно - для питания каких именно устройств предназначен. Драйвер для питания светодиодов обеспечивает стабильный ток на выходе. Другими словами - это тоже блок питания. Драйвер - это лишь маркетинговое обозначение - дабы избежать путаницы. До появления светодиодов источники тока - а им и является драйвер, не имели широкого распространения. Но вот появился сверхяркий светодиод - и разработка источников тока пошла семимильными шагами. А чтобы не путаться - их называют драйверами. Итак, давайте договоримся о некоторых терминах. Блок питания - это источник напряжения (constant voltage), Драйвер - источник тока (constant current). Нагрузка - то, что мы подключаем к блоку питания или драйверу.
Блок питания
Большинство электроприборов и компонентов электроники требуют для своей работы источник напряжения. Им является обычная электрическая сеть, которая присутствует в любой квартире в виде розетки. Всем известно словосочетание "220 вольт". Как видите - ни слова о токе. Это означает, что если прибор рассчитан на работу от сети 220 В, то вам неважно - сколько тока он потребляет. Лишь бы было 220 - а ток он возьмет сам - столько, сколько ему нужно. К примеру, обычный электрический чайник мощностью 2 кВт (2 000 Вт), включенный в сеть 220 в, потребляет следующий ток: 2 000 / 220 = 9 ампер. Довольно много, учитывая, что большинство обычных электрических удлинителей рассчитано на 10 ампер. В этом причина частого срабатывания защиты (автомата) при включении чайников в розетку через удлинитель, в который и так вставлено много приборов - компьютер, например. И хорошо, если защита сработает, в противном случае удлинитель может просто расплавиться. И так - любой прибор, рассчитанный на включение в розетку - зная, какова его мощность, можно вычислить потребляемый ток.Но большинство бытовых устройств, таких как телевизор, DVD-проигрыватель, компьютер, нуждаются в понижении сетевого напряжения с 220 В до нужного им уровня - например, 12 вольт. Блок питания - это как раз то устройство, которое занимается таким понижением.
Понизить напряжение сети можно разными способами. Самые распостраненные блоки питания - трансформаторный и импульсный.
Блок питания на основе трансформатора
В основе такого блока питания лежит большая, железная, гудящая штуковина.:) Ну, нынешние трансформаторы гудят поменьше. Основное достоинство - простота и относительная безопасность таких блоков. Они содержат минимум деталей, но при этом обладают неплохими характеристиками. Основной минус - КПД и габариты. Чем больше мощность блока питания - тем он тяжелее. Часть энергии расходуется на "гудение" и нагрев:) Кроме того, в самом трансформаторе теряется часть энергии. Другими словами - просто, надежно, но имеет большой вес и много потребляет - КПД на уровне 50-70%. Имеет важный неотъемлемый плюс - гальваническую развязку от сети. Это означает, что если произойдет неисправность или вы случайно залезете рукой во вторичную цепь питания - током вас не стукнет:) Еще один несомненный плюс - блок питания может быть включен в сеть без нагрузки - это ему не повредит.Но давайте посмотрим, что будет, если перегрузить такой блок питания .
Имеется: трансформаторный блок питания с выходным напряжением 12 вольт и мощностью 10 ватт. Подключим к нему лампочку 12 вольт 5 ватт. Лампочка будет светиться на все свои 5 ватт и потреблять тока 5 / 12 = 0,42 А.
Подключим вторую лампочку последовательно к первой, вот так:
Обе лампочки будут светиться, но очень тускло. При последовательном соединении ток в цепи останется тем же - 0,42 А, а вот напряжение распределится между двумя лампочками, то есть каждая получит по 6 вольт. Понятно, что светиться они будут еле-еле. Да и потреблять при этом будут каждая примерно по 2,5 Вт.
Теперь изменим условия - подключим лампочки параллельно:
В итоге напряжение на каждой лампе будет одинаковое - 12 вольт, а вот тока они возьмут каждая по 0,42 А. То есть ток в цепи возрастет в два раза. Учитывая, что блок у нас мощностью 10 Вт - мало ему уже не покажется - при параллельном включении мощность нагрузки, то есть лампочек, суммируется. Если мы еще и третью подключим - то блок питания начнет дико греться и в конце концов сгорит, возможно, прихватив с собой вашу квартиру. А все это потому, что он не умеет ограничивать ток. Поэтому очень важно правильно рассчитать нагрузку на блок питания. Конечно, блоки посложнее содержат защиту от перегрузки и автоматически отключаются. Но рассчитывать на это не стоит - защита, бывает, тоже не срабатывает.
Импульсный блок питания
Самый простой и яркий представитель - китайский блок питания для галогеновых ламп 12 В. Содержит небольшое количество деталей, легкий, маленький. Размеры 150 Вт блока - 100х50х50 мм, вес грамм 100. Такой же трансформаторный блок питания весил бы килограмма три, а то и больше. В блоке питания для галогенных ламп тоже есть трансформатор, но он маленький, потому что работает на повышенной частоте. Надо отметить, что КПД такого блока тоже не на высоте - порядка 70-80%, при этом он выдает приличные помехи в электрическую сеть. Есть еще множество блоков, основанных на аналогичном принципе - для ноутбуков, принтеров и т.п. Итак, основное достоинство - небольшие габариты и малый вес. Гальваническая развязка также присутствует. Недостаток - тот же, что и у его трансформаторного собрата. Может сгореть от перегрузки:) Так что если вы решили сделать у себя дома освещение на 12 В галогенных лампах - подсчитайте допустимую нагрузку на каждый трансформатор.Желательно создавать от 20 до 30% запаса. То есть если у вас трансформатор на 150 Вт - лучше не вешайте на него больше, чем 100 Вт нагрузки. И внимательно следите за равшанами, если они делают у вас ремонт. Расчет мощности им доверять не стоит. Также стоит отметить, что импульсные блоки не любят включения без нагрузки . Именно поэтому не рекомендуется оставлять зарядные устройства для сотовых в розетке по окончании зарядки. Впрочем, это все делают, поэтому большинство нынешних импульсных блоков содержат защиту от включения без нагрузки.
Эти два простых представителя семейства блоков питания выполняют общую задачу - обеспечение нужного уровня напряжения для питания устройств, которые к ним подключены. Как уже было сказано выше - устройства сами решают - сколько тока им нужно.
Драйвер
В общем случае драйвер - это источник тока для светодиодов . Для него обычно не бывает параметра "выходное напряжение". Только выходной ток и мощность. Впрочем, вы уже знаете, как можно определить допустимое выходное напряжение - делим мощность в ваттах на ток в амперах.На практике это означает следующее. Допустим, параметры драйвера следующие: ток - 300 миллиампер, мощность - 3 ватта. Делим 3 на 0,3 - получаем 10 вольт. Это максимальное выходное напряжение, которое может обеспечить драйвер. Предположим, что у нас есть три светодиода, каждый из них рассчитан на 300 мА, а напряжение на диоде при этом должно быть около 3 вольт. Если мы подключим один диод к нашему драйверу, то напряжение на его выходе будет 3 вольта, а ток 300 мА. Подключим второй диод последовательно (см. пример с лампами выше) с первым - на выходе будет 6 вольт 300 мА, подключим третий - 9 вольт 300 мА. Если же мы подключим светодиоды параллельно - то эти 300 мА распределятся между ними примерно поровну, то есть примерно по 100 мА. Если мы подключим к драйверу на 300 мА трехваттные светодиоды с рабочим током 700 мА - они будут получать только 300 мА.
Надеюсь, принцип понятен. Исправный драйвер ни при каких условиях не выдаст больше тока, чем он рассчитан - как бы вы не подключали диоды. Надо отметить, что есть драйвера, которые рассчитаны на любое количество светодиодов, лишь бы их общая мощность не превышала мощность драйвера, а есть те, которые рассчитаны на определенное количество - 6 диодов, например. Некоторый разброс в меньшую сторону они, впрочем, допускают - можно подключить пять диодов или даже четыре. КПД универсальных драйверов хуже чем у их собратьев, рассчитанных на фиксированное количество диодов в силу некоторых особенностей работы импульсных схем. Также драйвера с фиксированным количеством диодов обычно содержат защиту от нештатных ситуаций. Если драйвер рассчитан на 5 диодов, а вы подключили три - вполне возможно, что защита сработает и диоды либо не включатся либо будут мигать, сигнализируя об аварийном режиме. Надо отметить, что большинство драйверов плохо переносят подключение к питающему напряжению без нагрузки - этим они сильно отличаются от обычного источника напряжения.
Итак, разницу между блоком питания и драйвером мы определили. Теперь рассмотрим основные типы драйверов для светодиодов, начиная с самых простых.
Резистор
Это простейший драйвер для светодиода. Выглядит как бочонок с двумя выводами. Резистором можно ограничить ток в цепи, подобрав нужное сопротивление. Как это сделать - подробно описано в статье "Подключение светодиодов в авто"Недостаток - низкий КПД, отсутствие гальванической развязки. Способов надежно запитать светодиод от сети 220 В через резистор не существует, хотя во многих бытовых выключателях подобная схема используется.
Конденсаторная схема.
Сходна со схемой на резисторе. Недостатки те же. Возможно изготовить конденсаторную схему достаточной надежности, но при этом стоимость и сложность схемы сильно возрастут.Микросхема LM317
Это следующий представитель семейства простейших драйверов для светодиодов . Подробности - в вышеупомянутой статье о светодиодах в авто. Недостаток - низкий КПД, требуется первичный источник питания. Преимущество - надежность, простота схемы.Драйвер на микросхеме типа HV9910
Данный тип драйверов получил изрядную популярность благодаря простоте схемы, дешевизне комплектующих и небольших габаритах.Преимущество - универсальность, доступность. Недостаток - требует квалификации и осторожности при сборке. Отсутствует гальваническая развязка с сетью 220 В. Высокие импульсные помехи в сеть. Низкий коэффициент мощности.
Драйвер с низковольтным входом
В эту категорию входят драйверы, рассчитанные на подключение к первичному источнику напряжения - блоку питания или аккумулятору. Например, это драйверы для светодиодных фонарей или ламп, предназначенных для замены галогенных 12 В. Преимущество - небольшие габариты и вес, высокий КПД, надежность, безопасность при эксплуатации. Недостаток - требуется первичный источник напряжения.Сетевой драйвер
Полностью готовы к использованию и содержат все необходимые элементы для питания светодиодов. Преимущество - высокий КПД, надежность, наличие гальванической развязки, безопасность при эксплуатации. Недостаток - высокая стоимость, труднодоступны для приобретения. Могут быть как в корпусе, так и без корпуса. Последние обычно применяют в составе ламп или других источников света.Применение драйверов на практике
Большинство людей, планирующих использовать светодиоды , совершают типичную ошибку. Сначала приобретаются сами СИД , затем под них подбирается драйвер . Ошибкой это можно считать потому, что в настоящее время мест, где можно приобрести в достаточном ассортименте драйвера, не так уж и много. В итоге, имея на руках вожделенные светодиоды, вы ломаете голову - как подобрать драйвер из имеющегося в наличии. Вот купили вы 10 светодиодов - а драйвера только на 9 есть. И приходится ломать голову - как быть с этим лишним светодиодом. Может быть, проще было сразу на 9 рассчитывать. Поэтому выбор драйвера должен происходить одновременно с выбором светодиодов. Далее, нужно учитывать особенности светодиодов, а именно падение напряжения на них. К примеру, красный 1 Вт светодиод имеет рабочий ток 300 мА и падение напряжения 1,8-2 В. Потребляемая им мощность составит 0,3 х 2 = 0,6 Вт. А вот синий или белый светодиод имеет при таком же токе падение напряжения 3-3,4 В, то есть мощность 1 Вт. Стало быть, драйвер с током 300 мА и мощностью 10 Вт "потянет" 10 белых или 15 красных светодиодов. Разница существенная. Типовая схема подключения 1 Вт светодиодов к драйверу с выходным током 300 мА выглядит так:
У стандартных 1 Вт светодиодов минусовой вывод больше плюсового по размеру, поэтому его легко отличить.
Как же быть, если доступны только драйвера с током 700 мА? Тогда придется использовать четное количество светодиодов , включая их по два параллельно.
Хочу заметить, что многие ошибочно предполагают, что рабочий ток 1 Вт светодиодов - 350 мА. Это не так, 350 мА - это МАКСИМАЛЬНЫЙ рабочий ток. Это означает, что при продолжительной работе необходимо использовать источник питания с током 300-330 мА. Это же верно и для параллельного включения - ток на один светодиод не должен превышать указанной цифры 300-330 мА. Вовсе не значит, что работа на повышенном токе вызовет отказ светодиода. Но при недостаточном теплоотводе каждый лишний миллиампер способен сократить срок службы. К тому же чем выше ток - тем ниже КПД светодиода, а значит, сильнее его нагрев.
Если речь пойдет о подключении
светодиодной ленты или модулей, рассчитанных на 12 или 24 вольта, нужно
принимать во внимание, что предлагаемые для них источники питания
ограничивают напряжение, а не ток, то есть не являются драйверами в
принятой терминологии. Это означает, во первых, что нужно внимательно
следить за мощностью нагрузки, подключаемой к определенному блоку
питания. Во-вторых, если блок недостаточно стабилен, скачок выходного
напряжения может погубить вашу ленту. Слегка облегчает жизнь
то,
что в лентах и модулях (кластерах) установлены резисторы,
позводяющие ограничить ток до определенной степени. Надо сказать,
светодиодная лента потребляет относительно большой ток. Например, лента
smd 5050 , количество светодиодов в которой составляет 60 штук на метр,
потребляет около 1,2 А на метр. То есть для запитки 5 метров
понадобится блок питания с током не менее 7-8 ампер. При этом 6 ампер
потребит сама лента, а один-два ампера нужно оставить про запас, чтобы
не перегружить блок. А 8 ампер - это почти 100 ватт. Такие блоки
недешевы.
Драйверы более оптимальны для подключения ленты,
но найти такие специфические драйвера проблематично.
Подытоживая, можно сказать, что выбору драйвера для светодиодов нужно уделять не меньше, а то и больше внимания, чем светодиодам. Небрежность при выборе чревата выходом из строя светодиодов, драйвера, чрезмерным потреблением и другими прелестями:)
Юрий Рубан, ООО "Рубикон", 2010 г .
Неуклонная тенденция развития портативной электроники практически ежедневно заставляет рядового пользователя сталкиваться с зарядкой аккумуляторов своих мобильных устройств. Будь вы владельцем мобильного телефона, планшета, ноутбука или даже автомобиля, так или иначе вам неоднократно придётся столкнуться с зарядкой аккумуляторов этих устройств. На сегодняшний день рынок выбора зарядных устройств настолько обширен и велик, что в этом многообразии довольно тяжело сделать грамотный и правильный выбор зарядного устройства, подходящего к типу используемого аккумулятора. К тому же, сегодня существуют более 20-и типов аккумуляторов с различным химическим составом и основой. Каждый из них имеет свою специфику работы заряда и разряда. В силу экономической выгоды современное производство в этой сфере сейчас сконцентрировано преимущественно на выпуске свинцово-кислотных (гелевых) (Pb), никель – металл - гидридных (NiMH), никель – кадмиевых (NiCd) аккумуляторов и аккумуляторов на основе лития – литий-ионных (Li-ion) и литий-полимерных (Li-polymer). Последние из указанных, кстати, активно используются в питании портативных мобильных устройств. Главным образом литиевые аккумуляторы заслужили популярность за счёт применения относительно недорогих химических компонентов, большого количества циклов перезаряда (до 1000), высокой удельной энергии, низкой степени саморазряда, а так же способности удерживать ёмкость при отрицательных значениях температуры.
Электрическая схема зарядного устройства литиевых аккумуляторов, применяемых в мобильных гаджетах сводится к обеспечению их в процессе заряда постоянным напряжением, превышающим на 10 – 15 % номинальное. К примеру, если для питания мобильного телефона используется литий-ионная батарея на 3,7 В., то для её заряда необходим стабилизированный источник питания достаточной мощности для поддержания напряжения заряда не выше 4,2В – 5В. Именно поэтому большинство портативных зарядных устройств, идущих в комплекте с устройством, выпускают на номинальное напряжение 5В, обусловленное максимальным напряжением питания процессора и заряда батареи с учётом встроенного стабилизатора.
Конечно, не стоит забывать и о контроллере заряда, который берёт на себя основной алгоритм заряда батареи, а так же опрос её состояния. Современные литиевые аккумуляторы, выпускаемые для мобильных устройств с малыми токами потребления, уже идут со встроенным контроллером. Контроллер выполняет функцию ограничения тока заряда в зависимости от текущей ёмкости аккумулятора, отключает подачу напряжения устройству в случае критического разряда батареи, защищает батарею в случае короткого замыкания нагрузки (литиевые батареи очень чувствительны к большому току нагрузки и имеют свойство сильно нагреваться и даже взрываться). С целью унификации и взаимозаменяемости литий-ионных аккумуляторов ещё в 1997 году компании Duracell и Intel разработали управляющую шину опроса состояния контроллера, его работы и заряда с названием SMBus. Под эту шину были написаны драйвера и протоколы. Современные контроллеры и сейчас используют основы алгоритма заряда, прописанные этим протоколом. В плане технической реализации существует множество микросхем, способных реализовать контроль заряда литиевых аккумуляторов. Среди них выделяется серия MCP738xx, MAX1555 от MAXIM, STBC08 или STC4054 с уже встроенным защитным n-канальным MOSFET транзистором, резистором определения тока заряда и диапазоном напряжения питания контроллера от 4,25 до 6,5 Вольт. При этом у последних микросхем от STMicroelectronics значение напряжения заряда аккумулятора 4,2 В. имеет разброс всего +/- 1%, а зарядный ток может достигать 800 мА, что позволит реализовать зарядку аккумуляторов ёмкостью до 5000 мА/ч.
Рассматривая алгоритм заряда литий-ионных аккумуляторов стоит сказать, что это один из немногих типов, предусматривающих паспортную возможность зарядки током до 1С (100% ёмкости аккумулятора). Таким образом, аккумулятор ёмкостью в 3000 ма/ч может заряжаться током до 3А. Однако, частая зарядка большим «ударным» током хоть и существенно сократит её время, но в то же время довольно быстро снизит ёмкость аккумулятора и приведёт его в негодность. Из опыта проектирования электрических схем зарядных устройств скажем, что оптимальным значением зарядки литий-инного (полимерного) аккумулятора является значение 0,4С – 0,5С от его ёмкости.
Значение тока в 1С допускается лишь в момент начального заряда батареи, когда ёмкость аккумулятора достигает приблизительно 70% своей максимальной величины. Примером может стать работа зарядки смартфона или планшета, когда первоначальное восстановление ёмкости происходит за короткое время, а оставшиеся проценты набираются медленно.
На практике довольно часто случается эффект глубокого разряда литиевого аккумулятора, когда его напряжение опускается ниже 5% его ёмкости. В этом случае контроллер не в состоянии обеспечить достаточный пусковой ток для набора начальной ёмкости заряда. (Именно поэтому не рекомендуется разряжать такие аккумуляторы ниже 10%). Для решения таких ситуаций необходимо аккуратно разобрать аккумулятор и отключить встроенный контроллер заряда. Далее необходимо к выводам аккумулятора подсоединить внешний источник заряда, способный выдать ток не менее 0,4С ёмкости аккумулятора и напряжение не выше 4,3В (для аккумуляторов на 3,7В.). Электрическая схема зарядного устройства для начальной стадии зарядки таких аккумуляторов может примениться из примера ниже.
Данная схема состоит из стабилизатора тока в 1А. (задаётся резистором R5) на параметрическом стабилизаторе LM317D2T и импульсном регуляторе напряжения LM2576S-adj. Напряжение стабилизации, определяется обратной связью на 4-ю ногу стабилизатора напряжения, то есть соотношением сопротивлений R6 и R7, которыми на холостом ходу выставляется максимальное напряжение зарядки аккумулятора. Трансформатор должен на вторичной обмотке выдавать 4,2 – 5,2 В переменного напряжения. Тогда после стабилизации мы получим 4,2 – 5В постоянного напряжения, достаточного для заряда вышеупомянутого аккумулятора.
Никель – металл - гидридные аккумуляторы (NiMH) чаще всего можно встретить в исполнении корпусов стандартных батареек – это формфактор ААА (R03), АА (R6), D, С, 6F22 9В. Электрическая схема зарядного устройства для NiMH и NiCd аккумуляторов должна в себя включать нижеперечисленные функциональные возможности, связанные со спецификой алгоритма заряда этого типа аккумуляторов.
У различных аккумуляторов (даже с одинаковыми параметрами) со временем меняются химические и емкостные характеристики. В итоге возникает необходимость организовывать алгоритм заряда каждого экземпляра индивидуально, поскольку в процессе зарядки (особенно большими токами, что допускают никелевые аккумуляторы) избыточный перезаряд влияет на быстрый перегрев аккумулятора. Температура в процессе заряда выше 50 градусов из-за химически необратимых процессов распада никеля полностью погубит аккумулятор. Таким образом, электрическая схема зарядного устройства должна иметь функцию контроля температуры аккумулятора. Для увеличения срока службы и количества циклов перезаряда никелевого аккумулятора желательно каждую его банку разрядить до напряжения не ниже 0,9В. током порядка 0,3С от его ёмкости. К примеру, аккумулятор с 2500 – 2700 мА/ч. разрядить на активную нагрузку током в 1А. Так же зарядное устройство должно поддерживать зарядку с «тренировкой», когда в течении нескольких часов происходит циклический разряд до 0,9В с последующим зарядом током 0,3 – 0,4С. Исходя из практики таким образом можно оживить до 30% убитых никелевых аккумуляторов, причём никель-кадмиевые аккумуляторы «реанимации» поддаются гораздо охотнее. По времени заряда электрические схемы зарядных устройств могут делиться на «ускоренные» (ток заряда до 0,7С с временем полного заряда 2 – 2,5ч.), «средней длительности» (0,3 – 0,4С – заряд за 5 – 6ч.) и «классические» (ток 0,1С – время заряда 12 – 15ч.). Конструируя зарядное устройство для NiMH или NiCd аккумулятора, так же можно воспользоваться общепринятой формулой расчёта времени заряда в часах:
T = (E/I) ∙ 1.5
где Е – ёмкость аккумулятора, мА/ч.,
I – ток заряда, мА,
1,5 – коэффициент для компенсации КПД во момент зарядки.
К примеру, время заряда аккумулятора ёмкостью 1200 мА/ч. током 120 мА (0,1С) будет:
(1200/120)*1,5 = 15 часов.
Из опыта эксплуатации зарядных устройств для никелевых аккумуляторов стоит отметить, что чем ниже зарядный ток, тем больше циклов перезаряда перенесёт элемент. Паспортные циклы, как правило, производитель указывает при зарядке аккумулятора током 0,1С с наиболее длительным временем заряда. Степень заряженности банок зарядное устройство может определять через измерение внутреннего сопротивления за счёт разницы падения напряжения в момент заряда и разряда определённым током (метод ∆U).
Итак, учитывая всё вышеизложенное, одним из наиболее простых решений для самостоятельной сборки электрической схемы зарядного устройства и в то же время обладающей высокой эффективностью является схема Виталия Спорыша, описание которой без труда можно найти в сети.
Основными преимуществами данной схемы является возможность зарядки как одного, так и двух последовательно соединённых аккумуляторов, термоконтроль заряда цифровым термометром DS18B20, контроль и измерение тока в процессе заряда и разряда, автоотключение по завершению зарядки, возможность зарядки аккумулятора в «ускоренном» режиме. Кроме того, с помощью специально написанного программного обеспечения и дополнительной платы на микросхеме - преобразователе TTL уровней MAX232 возможен вариант контроля зарядки на ПК и дальнейшей её визуализации в виде графика. К недостаткам стоит отнести необходимость наличия независимого двухуровневого питания.
Аккумуляторы на основе свинца (Pb) довольно часто можно встретить в устройствах с большим потреблением тока: автомобилях, электромобилях, бесперебойниках, в качестве источников питания различного электроинструмента. Нет смысла перечислять их достоинства и недостатки, которые можно разыскать на многих сайтах на просторах сети. В процессе реализации электрической схемы зарядного устройства для таких аккумуляторов следует различать два режима зарядки: буферный и циклический.
Буферный режим зарядки предусматривает одновременное подключение к аккумулятору и зарядного устройства, и нагрузки. Такое подключение можно наблюдать в блоках бесперебойного питания, автомобилях, ветряных и солнечных энергосистемах. При этом, во время подзаряда устройство является ограничителем тока, а когда аккумулятор набирает свою ёмкость – переходит в режим ограничения напряжения для компенсации саморазряда. В этом режиме аккумулятор выступает в роли суперконденсатора. Циклический режим предусматривает отключение зарядного устройства по завершению зарядки и его повторное подключение в случае разряда батареи.
Схемных решений по зарядке данных аккумуляторов в Интернете достаточно много, поэтому рассмотрим некоторые из них. Для начинающего радиолюбителя для реализации простого зарядного устройства «на коленках» отлично подойдёт электрическая схема зарядного устройства на микросхеме L200C от STMicroelectronics. Микросхема представляет собой АНАЛОГОВЫЙ регулятор тока с возможностью стабилизации напряжения. Из всех преимуществ, которые имеет эта микросхема – это простота схемотехники. Пожалуй, на этом все плюсы и заканчиваются. Согласно даташиту на эту микросхему, максимальный ток заряда может достигать 2А, что теоретически позволит зарядить аккумулятор ёмкостью до 20 А/ч напряжением
(регулируемым) от 8 до 18В. Однако, как оказалось на практике, минусов у этой микросхемы гораздо больше, чем плюсов. Уже при зарядке 12 амперного cвинцово-гелевого SLA аккумулятора током 1,2А микросхема требует радиатор площадью не менее 600 кв. мм. Хорошо подходит радиатор с вентилятором от старого процессора. Согласно документации к микросхеме, к ней можно
прикладывать напряжение до 40В. На самом деле, если подать по входу напряжение более 33В. – микросхема сгорает. Данное зарядное требует довольно мощный источник питания,
способный выдать ток не менее 2А. Согласно приведённой схеме вторичная обмотка трансформатора должна выдавать не более 15 – 17В. переменного напряжения.
Значение выходного напряжения, при котором зарядное устройство определяет, что аккумулятор набрал свою ёмкость, определяется значением Uref на 4-й ножке
микросхемы и задаётся резистивным делителем R7 и R1. Сопротивления R2 – R6 создают обратную связь, определяя граничное значение зарядного тока аккумулятора.
Резистор R2 в то же время определяет его минимальное значение. При реализации устройства не стоит пренебрегать значением мощности сопротивлений обратной связи и лучше применять такие номиналы, какие указаны в схеме. Для реализации переключения зарядного тока лучшим вариантом станет применение релейного переключателя, к которому подключаются сопротивления R3 – R6. От использования низкоомного реостата лучше отказаться. Данное зарядное устройство способно заряжать аккумуляторы на свинцовой основе ёмкостью до 15 А/ч. при условии хорошего охлаждения микросхемы.
Существенно уменьшить габариты зарядки свинцовых аккумуляторов небольшой ёмкости (до 20 А/ч.) поможет электрическая схема зарядного устройства на импульсном 3А. стабилизаторе тока с регулировкой напряжения LM2576-ADJ.
Для зарядки свинцово-кислотных или гелевых аккумуляторных батарей ёмкостью до 80А/ч. (к примеру, автомобильных). Отлично подойдёт импульсная электрическая схема зарядного устройства универсального типа представленная ниже.
Схема была успешно реализована автором этой статьи в корпусе от компьютерного блока питания ATX. В основе её элементной базы лежат радиоэлементы, большей частью взятые из разобранного компьютерного блока питания. Зарядное устройство работает как стабилизатор тока до 8А. с регулируемым напряжением отсечки заряда. Переменное сопротивление R5 устанавливает значение максимального тока заряда, а резистор R31 устанавливает его граничное напряжение. В качестве датчика тока используется шунт на R33. Реле K1 необходимо для защиты устройства от изменения полярности подключения к клеммам аккумулятора. Импульсные трансформаторы T1 и Т21 в готовом виде были так же взяты из компьютерного блока питания. Работает электрическая схема зарядного устройства следующим образом:
1. включаем зарядное устройство с отключённой батареей (клеммы зарядки откинуты)
2. выставляем переменным сопротивлением R31(на фото верхнее) напряжение заряда. Для свинцового 12В. аккумулятора оно не должно превышать 13,8 – 14,0 В.
3. При правильном подключении зарядных клемм слышим, как щёлкает реле, и на нижнем индикаторе видим значение тока заряда, которое выставляем нижним переменным сопротивлением (R5 по схеме).
4. Алгоритм заряда спроектирован таким образом, что устройство заряжает аккумулятор постоянным заданным током. По мере накопления ёмкости значение зарядного тока стремится к минимальному значению, а «дозаряд» происходит за счёт выставленного ранее напряжения.
Полностью посаженый свинцовый аккумулятор не включит реле, как и собственно саму зарядку. Поэтому важно предусмотреть принудительную кнопку подачи мгновенного напряжения от внутреннего источника питания зарядного устройства на управляющую обмотку реле К1. При этом следует помнить, что в момент нажатой кнопки защита от переполюсовки будет отключена, поэтому нужно перед принудительным пуском обратить особое внимание на правильность подключения клемм зарядного устройства к аккумулятору. Как вариант, возможен запуск зарядки от заряженного аккумулятора, а уж потом перебрасываем клеммы зарядки на требуемый посаженный аккумулятор. Разработчика схемы можно найти под ником Falconist на различных радиоэлектронных форумах.
Для реализации индикатора напряжения и тока была применена схема на pic-контроллере PIC16F690 и «супердоступных деталях», прошивку и описание работы которой можно найти в сети.
Данная электрическая схема зарядного устройства, конечно же, не претендует на звание «эталонной», но она в полной мере способна заменить дорогостоящие зарядные устройства промышленного производства, а по функциональности может даже значительно превзойти многие из них. В окончании стоит сказать, что последняя схема универсального зарядного устройства рассчитана главным образом на человека, подготовленного в радиоконструировании. Если же вы только начинаете, то лучше в мощном зарядном устройстве применить гораздо более простые схемы на обычном мощном трансформаторе, тиристоре и системе его управления на нескольких транзисторах. Пример электрической схемы такого зарядного устройства приведён на фото ниже.
Смотрите также схемы.
Несмотря на объективные проблемы с внедрением светодиодного освещения, все больше предприятий занимаются разработкой и производством полупроводниковых осветительных приборов. Научно-производственная фирма «Плазмаинформ» вышла на этот рынок в 2010 г. и в настоящее время позиционирует себя разработчиком и серийным производителем источников тока для светодиодных светильников.
Источники питания (ИП) светодиодов - важнейшая часть полупроводникового светильника, во многом определяющая функциональные, светотехнические показатели и надежность осветительного устройства. Для компаний, занимающихся проектированием и установкой систем освещения, помимо светового потока и цветовой температуры важны и такие характеристики, как электробезопасность, КПД, коэффициент мощности, коэффициент пульсаций светового потока, электромагнитная совместимость и стоимость. В результате сотрудничества НПФ «Плазмаинформ» с рядом предприятий, разрабатывающих и производящих осветительные приборы, появились на свет и были запущены в серийное производство источники тока открытого исполнения, обеспечивающие электрические мощности 15, 20, 30, 35, 50 и 100 Вт.
Анализ ИП для светодиодных светильников, выпускаемых рядом фирм, показывает, что схемотехника источников тока определяется требуемой выходной мощностью светильника: если она менее 60 Вт, то обычно выбирается обратноходовой корректор коэффициента мощности (ККМ) со стабилизацией выходного тока. При более высокой выходной мощности используется отдельный ККМ и отдельный преобразователь со стабилизацией выходного тока и гальванической развязкой вход/выход, выполняемый по схемотехнике обратноходового, прямоходового или резонансного LLC-типа. Преобразователи без гальванической развязки (понижающего типа, SEPIC и др.) с точки зрения обеспечения безопасности при эксплуатации светодиодных светильников не имеют широкого распространения.
При разработке большое внимание было уделено таким параметрам, как пульсации выходного тока, электромагнитная совместимость (ЭМС) и стоимость. Выбор пульсаций выходного тока, определяется требованиями к пульсациям светового потока, которые регламентируются стандартами и составляют для светильников общего назначения 10–20%, а для настольных светильников при длительной работе за компьютером - 5–10%. Для уличных светильников пульсации светового потока не регламентированы и должны задаваться для каждого конкретного применения.
Учитывая, что светильники могут подключаться к электрическим сетям достаточно большой протяженности, к которым может быть подсоединено сильноточное оборудование, источники питания должны выдерживать испытательное напряжение 1,5 кВ провод–провод и провод–корпус, а также наносекундные и микросекундные импульсные выбросы и провалы амплитудой до 1,0 кВ. Кроме того, к тем же электрическим сетям могут быть подключены телевизоры, приемники и другая чувствительная к помехам аппаратура. Поэтому необходимо обеспечить соответствие ИП следующим основным стандартам по ЭМС: ГОСТ Р 51318.15- 99, ГОСТ Р 51514-99, ГОСТ Р 51317.3.2.2006 (раздел 6, 7), ГОСТ Р 51317.3.3.2008, ГОСТ Р 51317.4.2.99, ГОСТ Р 51317.4.4.2007, ГОСТ Р 51317.4.5.99, ГОСТ Р 51317.4.6.99, ГОСТ Р 51317.4.11.2007.
Источники PSL (Power Supply Led) выполнены по схеме обратноходового корректора коэффициента мощности со стабилизацией выходного тока и ограничением напряжения. Типовая блок-схема приведена на рис. 1. Основой преобразователя является контроллер ККМ, управляющий силовым ключом и обеспечивающий коэффициент мощности выше 0,9. Осциллограммы входного напряжения и тока, а также действующие и предельные значения гармоник тока источника PSL50 приведены на рис. 2 и 3. Фильтр ЭМС обеспечивает электромагнитную совместимость в соответствии со стандартами на светильники.
Рис. 1. Блок-схема источника
Рис. 2. Осциллограммы входного напряжения и тока PSL50
Рис. 3. Действующие и предельные значения гармоник входного тока PSL50
В качестве примера в таблице 1 приведен уровень радиопомех на сетевых зажимах PSL50 в диапазоне частот 0,009–30 МГц (квазипиковые значения).
Т а б л и ц а 1 . Уровень радиопомех PSL50
| Частота, МГц | Величина напряжения радиопомех, дБ (мкВ) |
|
| Измеренная | Допустимая (норма) |
|
| 0,009 | 56 | 110 |
| 0,04 | 25 | 92 |
| 0,15 | 37 | 66 |
| 0,16 | 35 | 65,5 |
| 0,24 | 21 | 62,1 |
| 0,55 | 13 | 55,2 |
| 1 | на уровне шумов |
56 |
| 3,5 | 11 | 56 |
| 6 | 31 | 56 |
| 7,7 | 37 | 56 |
| 10 | 32 | 60 |
| 15,6 | 51 | 60 |
| 28 | 42 | 60 |
| 30 | 41 | 60 |
Выходной фильтр обеспечивает необходимый уровень пульсаций выходного тока и, соответственно, пульсаций светового потока. Уровень и форма пульсаций токов и напряжений для двух номиналов выходного фильтра PSL50 приведены на рис. 4–7.
Рис. 4. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА) |
Рис. 5. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (постоянная составляющая 120 В) |
Рис. 6. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА) |
Рис. 7. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (постоянная составляющая 120 В) |
Осциллограммы показывают, что увеличение выходной емкости на 60% уменьшает пульсации тока в два раза и соответственно снижает пульсации светового потока, поскольку зависимость между ними практически линейная. При включении источники обеспечивают плавную подачу напряжения в течение 50 мс. Форма выходного напряжения при старте PSL50 приведена на рис. 8.
Рис. 8. Выходное напряжение PSL50 в момент включения
Усилитель сигнала ошибки (УСО) по току обеспечивает формирование сигнала ошибки, поддерживая ток через светодиоды на заданном уровне. УСО по напряжению ограничивает выходное напряжение на холостом ходу. Блок гальванической развязки предназначен для передачи сигнала ошибки на контроллер, в первичную цепь. Демпфер ограничивает выброс напряжения на стоке силового ключа, что позволяет использовать более низковольтный и дешевый транзистор.
Питанием источника является сеть переменного тока. Гальваническая развязка входных и выходных цепей между собой и корпусом выдерживает 1,5 кВ и обеспечивает безопасность эксплуатации. Источники соответствуют отечественным и международным нормам в части ЭМС. Имеется встроенная защита от короткого замыкания на выходе, обеспечивается работа на холостом ходу. Основные технические характеристики источников приведены в таблице 2.
Т а б л и ц а 2 . Параметры источников питания
| Наименование параметра | Тип источника | |||||
| PSL15 | PSL20 | PSL30 | PSL35 | PSL50 | PSL100 | |
| Напряжение питания | 176–264 В, 50/60 Гц | |||||
| Максимальная мощность, Вт | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| Диапазон выходного напряжения, В | 24–32 | 36–48 | 44–50 | 25–38 | 100–144 | 200–300 |
| Выходной ток, мА | 500±30 | 360±20 | 600±20 | 900±30 | 360±20 | 370±20 |
| Нестабильность выходного тока, % (не более) |
5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Пульсации выходного тока, % (не более) |
20 | 20 | 20 | 20 | 10 | 10 |
| Коэффициент полезного действия, % (не менее) |
85 | 85 | 85 | 85 | 90 | 90 |
| Коэффициент мощности, % (не менее) |
90 | 90 | 90 | 90 | 97 | 95 |
| Рабочая температура, °C | –25…+65 | 0…+40 | 0…+40 | 0…+40 | 0…+40 | –45…+60 |
| Средний ресурс, ч | 50 000 | |||||
| Габаритные размеры, мм (не более) | 135×40×25 | 145×30×25 | 145×30×25 | 145×30×25 | 160×33×25 | 180×40×36 |
| Масса, г (не более) | 100 | 100 | 100 | 100 | 110 | 160 |
Внешний вид PSL15, PSL35, PSL50 и PSL100 приведен на рис. 9–12 соответственно. Источники PSL20 и PSL30 имеют конструктивное исполнение, аналогичное PSL35.
Рис. 9. Источник PSL15 |
Рис. 10. Источник PSL35 |
Рис. 11. Источник PSL50 |
Рис. 12. Источник PSL100 |
Для специальных конструкций светильников разработан недорогой сетевой неизолированный источник тока мощностью 9 Вт (PSL9). Он представляет собой понижающий преобразователь с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Схема источника приведена рис. 13, внешний вид - на рис. 14. Основа источника - микросхема драйвера HV9910. Цепочка С1– VD2–VD3–VD4–C2 - пассивный ККМ. Выходной ток задается резисторами R4, R5, R6. C3 - выходной фильтрующий конденсатор. Параметры источника PSL9 приведены в таблице 3.
Рис. 13. Схема PSL9
Рис. 14. Источник PSL9
Т а б л и ц а 3 . Параметры источника PSL9
| Напряжение питания | 176–264 В, 50/60 Гц |
| Коэффициент полезного действия, % (не менее) | 80 |
| Коэффициент мощности, % (не менее) | 84 |
| Минимальное выходное рабочее напряжение, В | 20 |
| Максимальное выходное рабочее напряжение, В | 32 |
| Максимальное напряжение холостого хода, В | 350 |
| Стабилизированный выходной ток, мА | 350±10 |
| Нестабильность выходного тока, % (не более) | 5 |
| Пульсации выходного тока, % (не более) | 15 |
| Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм | 45×33×25 |
| Диапазон рабочих температур, °С | 0…+40 |
Светильники, в конструкции которых использованы PSL9, PSL15, PSL30, PSL100, проходят опытную эксплуатацию. Светильники с PSL20, PSL35 и PSL50 выпускаются серийно.
Выбранная схема построения источников питания позволяет без больших затрат модифицировать конструкцию для получения других значений выходного напряжения и тока в пределах заявленной мощности, обеспечивая питание светильников с иной схемой включения светодиодов.
Похожие статьи
