Драйвери світлодіодів

ВСТУП

Невід’ємна складова світлодіодних ламп – драйвер світлодіодів – пристрій перетворення змінної напруги в струм, що протікає через світлодіоди .
Ідеальний драйвер світлодіодів – це драйвер, що підтримує постійне значення струму, що протікає через світлодіоди. У цьому випадку величина прямого падіння напруги на світлодіодах не має суттєвого значення, що виключає процес відбору світлодіодів за величиною падіння напруги, а крім того, виключається вплив температурного коефіцієнта прямого падіння напруги. Драйвери світлодіодів можуть бути створені як на основі різноманітних імпульсних перетворювачів, так і лінійних стабілізаторів струму.
Переваги безтрансформаторних драйверів світлодіодів очевидні – це відсутність імпульсного AC/DC- або DC/DC-перетворювача і відповідно – котушки індуктивності або трансформатора, а також громіздкого перешкододавлюючого фільтра, а в деяких випадках і електролітичних конденсаторів, що знижує, в кінцевому рахунку, вартість
. Проте слід забувати, що джерела живлення світлодіодів, створені з допомогою безтрансформаторних драйверів, – неізольовані, тобто. у них є гальванічний зв’язок між первинною мережею змінного струму та світлодіодами. Тому слід приділяти особливу увагу заходам захисту споживача від ураження електричним струмом.
Імпульсні AC/DC- та DC/DC-перетворювачі, що найчастіше в даний час застосовуються в джерелах живлення світлодіодних ламп, багато в чому забезпечують високі світлотехнічні та електричні параметри в широкому діапазоні зміни напруги. Це насамперед: ККД, коефіцієнт потужності (Power Factor – PF) та коефіцієнт гармонік споживаного від мережі струму (Total Harmonic Distortion – THD).
Однак внаслідок застосування трансформатора їх відрізняють порівняно висока вартість, складність та великі габарити. Тому дуже привабливо виключити невід’ємну складову таких перетворювачів – котушки індуктивності чи трансформатор.
У статті розглядаються варіанти безтрансформаторних драйверів світлодіодів різної складності. І хоча у ряді схем дано номінальні значення параметрів багатьох компонентів, у статті розглядаються лише можливі варіанти побудови драйверів світлодіодів, а не закінчені та протестовані рішення, призначені для використання на практиці.

БЕСТРАНСФОРМАТОРНІ ДРАЙВЕРИ СВЕТОДІОДІВ

Схеми підключення світлодіодів безпосередньо до мережі змінного струму без використання імпульсних AC/DC- або DC/DC-перетворювачів отримали назву Direct-AC-Drive. Далі розглядаються безтрансформаторні драйвери світлодіодів, орієнтовані створення недорогих неізольованих джерел живлення світлодіодів, призначених до застосування у різних додатках.
Один із можливих простих варіантів структурної схеми підключення світлодіодів безпосередньо до мережі змінного струму (220 В/50 Гц) наведено на рис. 1. У цій схемі використовується так званий стабілізатор струму типу CCR (Constant Current Regulator). Ряд компаній пропонує спеціалізовані мікросхеми стабілізаторів струму (NSI50350AS, CL220, CCSL-1/2/3/4, LND081A/B/C, CL6807 та ін), що забезпечують збереження заданого струму при зміні напруги живлення та орієнтовані на використання в драйверах світлодіодів. Мікросхеми (NSIxxx), які випускає компанія ON Semiconductor, забезпечують струм навантаження в діапазоні від 20 до 350 мА при максимальному падінні напруги на стабілізаторі від 45 до 120 В. Для збільшення струму через світлодіоди допускається паралельне підключення мікросхем. Залежно від величини струму стабілізації і допустимої потужності розсіюваної мікросхеми виготовляються в різних корпусах (SOT223, DPAK, SMB) і призначені для роботи при температурі кристала в діапазоні -55…150 °C або -55…175 °C (наприклад, NSI50350AST3G). Мікросхема CL220 (Super tex Inc.) забезпечує струм 20 ±2 мА при падінні напруги на стабілізаторі від 5 до 160 В. Допустиме значення падіння напруги становить 220 В, динамічний опір – 300 кОм. Стабілізований струм має температурний коефіцієнт 0.01%/°C (типове значення). Тепловий опір RΘja – 70 або 78 °C/Вт залежно від типу корпусу та площі поверхні друкованої плати, призначеної для відведення тепла. ІМС CL220 виготовляється в корпусі TO-252 (D-PAK) або TO-220 і призначена для роботи за температури кристала в діапазоні -40…125 °C.

Наведена на рис. 1 схема має низку недоліків. При роботі в широкому діапазоні зміни напруги (V) падіння напруги на мікросхемі стабілізатора струму (VCCR) також змінюється у великих межах, що відповідно викликає збільшення втрат потужності і зниження ККД.

Струм через світлодіоди протікає тільки в ті інтервали часу, коли мережева напруга перевищує падіння напруги на ІМС стабілізатора струму і ланцюжку підключених світлодіодів, що не дозволяє отримати високе значення PF. У цьому випадку доводиться шукати компроміс між величиною розсіюваної потужності і тривалістю інтервалу протікання струму через світлодіоди.

Забезпечити більш ефективну роботу стабілізатора струму у великому діапазоні зміни мережевої напруги, не збільшуючи при цьому розсіювану на ньому потужність (і відповідно не знижуючи ККД) можна при використанні енергії накопичувального комутованого конденсатора відповідної ємності. На рис. 2 наведена схема одного з найпростіших варіантів безтрансформаторного драйвера світлодіодів з використанням стабілізатора струму типу NSI45020AT1G (ON Semiconductor) і накопичувального конденсатора . ІМС NSI45020AT1G — малогабаритний, двовивідний стабілізатор струму, призначений для управління малопотужними світлодіодами. Мікросхема випускається в корпусі SOD-123, забезпечує струм 20 мА і для її підключення не потрібні додаткові зовнішні компоненти.

Принцип роботи полягає в наступному. Конденсатор поетапно заряджається до напруги VLED + VCCR, а потім розряджається через ланцюжок світлодіодів і ІМС стабілізатора струму. У цьому випадку падіння напруги на стабілізаторі змінюється в заданому діапазоні і його завжди можна контролювати. Для комутації конденсатора застосовується найпростіший пристрій управління. При відкриванні ключа (транзистор Q2) виконується зарядка накопичувального конденсатора С1 від мережі змінного струму через випрямляч (D1–D4). При закриванні цього ключа відбувається розрядка конденсатора через ланцюжок світлодіодів і стабілізатор струму. Напруга, при якій відкривається транзистор Q1, визначається параметрами стабілітрона D5. Коли напруга на катоді стабілітрона збільшується до 43 В (див. рис. 2), струм, що протікає через стабілітрон, відкриває транзистор Q1, а транзистор Q2 відповідно закривається.

Таким чином, споживаний від мережі струм носить імпульсний характер і протікає тільки в процесі зарядки конденсатора С1, тобто в інтервалах, коли миттєве значення амплітуди мережевої напруги стає меншим 43 В.

На рис. 3 наведено ще один з варіантів схеми безтрансформаторного драйвера світлодіодів без використання ІМС стабілізатора струму . Діаграму, що пояснює принцип роботи драйвера, див. на рис. 3.

Інтервал часу, протягом якого транзистор Q2 перебуває у відкритому стані, досить нетривалий у порівнянні з тривалістю напівперіоду частоти мережевої напруги. Зменшення напруги на ланцюжку світлодіодів в інтервалах часу, коли закритий транзистор Q2, безпосередньо пов’язане з величиною ємності накопичувального конденсатора і струму через ланцюжок світлодіодів. Як випливає з діаграми, зарядка цього конденсатора відбувається в інтервалі збільшення мережевої напруги і закінчується при досягненні значення амплітуди 39 В (D1). Отже, споживаний від мережі струм носить імпульсний характер, як і у випадку використання звичайного мостового випрямляча з ємнісним навантаженням. Струм протікає тільки в процесі зарядки конденсатора С2, а кут зсуву фаз між мережевою напругою і споживаним струмом залежить від напруги відкривання стабілітрона. Усі ці особливості схем (рис. 2, 3) не дозволяють отримати велике значення коефіцієнта потужності.

Варіант схеми модифікованого безтрансформаторного драйвера світлодіодів наведено на рис. 4 .

У цій схемі стабілізатор струму реалізований на мікросхемі LM317AH. Крім того, передбачено обмеження амплітуди струму зарядки конденсатора при включенні живлення. Пристрій обмеження реалізований на транзисторі Q3 і резисторі R9. Поки транзистор Q3 не переключиться у відкритий стан, струм зарядки конденсатора (1.35 А) обмежується резистором R9 (100 Ом). Залежність ККД від напруги живлення наведена в таблиці 1 .

Таблиця 1. Залежність ККД драйвера від напруги живлення

Схема безтрансформаторного напівмостового драйвера світлодіодів наведена на рис. 5 . Стрілками червоного і синього кольору показані напрямки протікання струму через світлодіоди при зміні полярності мережевої напруги. Амплітуда струму, споживаного від мережі, обмежується опором резистора R5 з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) і реактивним опором конденсаторів С4 і С5. Натомість цих конденсаторів можна використовувати резистори опором 50…200 Ом, однак у цьому випадку неминуче зростають втрати потужності. У підсилювачах струму з негативним зворотним зв’язком (Q1, Q3 і Q2, Q4) як струмочутливі елементи використовуються резистори R3, R4. Струм бази транзисторів Q1, Q2 обмежений на рівні 150 мкА. Форма напруги пульсацій на ланцюжку світлодіодів при наявності і відсутності фільтруючого конденсатора С2 показана на рис. 5.

Істотний недолік наведених схем безтрансформаторних драйверів світлодіодів — невисокий коефіцієнт потужності.

В останній час ряд компаній-виробників випустив мікросхеми, орієнтовані на створення безтрансформаторних драйверів світлодіодів, у яких коефіцієнт потужності досягає значення 0.9 і більше. У їх числі ACT801/811/813 (Active-Semi), ACS0804/0904/1004/1404 (Altoran Chip & Systems), CL8800/1 (Supertex Inc.), DR3062 (Integrated Crystal Technology Inc.), EXC100 (Exclara), TPS92411 (Texas Instruments). Ці мікросхеми забезпечують типове значення ККД більше 80–85 % і THD — менше 20–30 %.

Зменшити втрати потужності і збільшити PF можна простим шляхом. В ідеальному випадку по мірі наростання мережевої напруги на величину падіння напруги на одному світлодіоді (2.8–3.5 В для білих світлодіодів) необхідно поетапно збільшувати число підключених до мережі світлодіодів, а при зниженні мережевої напруги — відключати їх, таким способом змінюючи число підключених світлодіодів. Таким чином, уся витрачена потужність буде розсіюватися на світлодіодах. Амплітудне значення мережевої напруги 310 В (220 В × 1.41), тому знадобиться приблизно 100 світлодіодів і складний пристрій управління. Щоб спростити управління, ланцюжок світлодіодів розбивається на 3–6 секцій, а в пристрої управління залежно від величини мережевої напруги або струму, що протікає через секції світлодіодів, виконується їх комутація. Залежно від способу комутації можна використовувати два варіанти структурної схеми підключення світлодіодів.

У першому використовуються кілька стабілізаторів і вимірювачів струму, що протікає через секції світлодіодів. Така структурна схема застосовується в більшості пропонованих на ринку ІМС (ACT801, CL8800/1, DR3062 та багатьох ін.). На рис. 6 наведена структурна схема підключення мікросхеми DR3062 при роботі від мережі напругою 220 В, форма споживаного від мережі струму (IL) наведена на рис. 7. Принцип роботи полягає в наступному (див. рис. 6). При підвищенні струму у відповідному вимірювальному колі до заданого значення відбувається поетапне відключення стабілізаторів струму. При збільшенні струму в колі I2 до заданого значення відключається стабілізатор I1, при збільшенні струму в колі I3 відключається стабілізатор I2 і т.д. У результаті при мережевій напрузі, рівній падінню напруги на всьому ланцюжку світлодіодів і стабілізаторі струму I6, підключений тільки один стабілізатор I6 і струм протікає послідовно через весь ланцюжок світлодіодів.

У другому варіанті використовується тільки один стабілізатор струму, а для комутації секцій світлодіодів застосовуються транзисторні ключі, що перемикаються спеціальним пристроєм управління. Такий принцип побудови безтрансформаторного драйвера світлодіодів реалізується із застосуванням анонсованої в кінці 2013 року мікросхеми TPS92411 (рис. 8), яка являє собою, по суті, «плаваючий» МОП-ключ з пристроєм управління . Структурна схема ІМС TPS92411 наведена на рис. 9. Опір транзисторного ключа у відкритому стані 2 Ом (типове значення), допустима напруга – 100 В, швидкість наростання вихідної напруги при включенні – 1 В/мкс. Мікросхема виготовляється в корпусі DBV (SOT23-5) або DDA (SO-8 Power-Pad) і забезпечує максимальний струм до 200 або 350 мА відповідно. Діапазон допустимої температури кристала –40…165 °C. Теплове опір RΘjb – 38 (DBV) або 39.1 °C/Вт (DDA). Використання мікросхеми TPS92411 у драйверах світлодіодів забезпечує отримання коефіцієнта потужності більше 0.9.

На рис. 10 наведена схема драйвера світлодіодів, у якому використана мікросхема TPS92411, і часова діаграма, що пояснює принцип його роботи.

Ланцюжок світлодіодів розбивається на три секції таким чином, щоб сума падіння напруги на секціях була приблизно рівна амплітудному значенню мережевої напруги. При напрузі мережі 230 В рекомендовані значення: 40, 80 і 160 В . Для управління станом (вкл./відкл.) вбудованого комутуючого МОП-транзистора використовуються RS-тригер і два компаратори (див. рис. 9) з регульованою напругою спрацьовування, що встановлюється з використанням усього двох зовнішніх резисторів. Напруга порогу спрацьовування компаратора, при якому відбувається розмикання ключа, вибирається приблизно на 8–12 В вище падіння напруги на відповідних підключених секціях світлодіодів. Для наведеної на рис. 10 схеми — це 49, 89 і 169 В. Рекомендована напруга порогу, при якому відбувається замикання МОП-ключа, становить приблизно 6 В. Таким чином, при досягненні напруги 49 В на першій секції світлодіодів (1) МОП-транзистор переходить у закритий стан і через світлодіоди цієї секції відбувається розряд підключеного до неї конденсатора. Послідовність вкл./відкл. транзисторних ключів усіх трьох (1–3) секцій світлодіодів відповідно до зміни амплітуди мережевої напруги показана на рис. 10. Стабілізатор струму (Q1, Q2) підтримує заданий струм при зміні мережевої напруги.

Величина струму визначається допустимою споживаною потужністю та опором резистора RCS. Наприклад, при споживаній потужності 16 Вт величина струму становить 0.07 А (16 Вт/230 В). Опір резистора RCS визначається із відношення 2.44 В/0.07 А = 34.8 Ом.

На веб-сайті компанії Texas Instruments можна знайти програму у форматі Excel для розрахунку номінальних значень параметрів компонентів та драйвера світлодіодів з використанням мікросхеми TPS92411. Крім того, в наведено електричну схему та параметри прототипу драйвера світлодіодів для мережевої напруги 120 В. Параметри прототипу драйвера дано в таблиці 2. На рис. 11 наведені осцилограми напруги мережі, споживаного від мережі струму і напруги на виході стабілізатора струму (стік Q1)

Таблиця 2. Параметри драйвера світлодіодів із використанням ІМС TPS92411

Мал. 11. Схема драйвера світлодіодів з використанням ІМС TPS92411 та діаграма, що пояснює його роботу

ВИСНОВОК

Недоліки, властиві всім розглянутим безтрансформаторним драйверам світлодіодів, – пульсації струму через світлодіоди з частотою, що дорівнює подвоєній частоті мережі, і, як наслідок, підвищений коефіцієнт пульсацій освітленості. Тим не менш, недорогі та надійні неізольовані безтрансформаторні драйвери світлодіодів можуть знайти застосування у світлодіодних лампах, орієнтованих на різні додатки, у тому числі в системах інтер’єрного та архітектурного підсвічування, світильниках для ЖКГ та багатьох інших. Безперечно, простота їх виготовлення і, відповідно, низька вартість у порівнянні з іншими типами драйверів роблять їх привабливими для використання в численних додатках.