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 тече тільки тоді, коли миттєве значення мережевої напруги перевищує сумарне падіння напруги на стабілізаторі та світлодіодах, що не дозволяє отримати високий PF. Виникає необхідність шукати компроміс між втратами та тривалістю інтервалу струму.

Варіант зі накопичувальним конденсатором

Забезпечити більш ефективну роботу стабілізатора струму в широкому діапазоні зміни мережної напруги без збільшення потужності, що розсіюється на ньому (і, відповідно, без зниження ККД), можна за використання енергії накопичувального комутованого конденсатора відповідної ємності.

На рис. 2 наведена схема одного з найпростіших варіантів безтрансформаторного драйвера світлодіодів із використанням стабілізатора струму типу NSI45020AT1G (ON Semiconductor) і накопичувального конденсатора . ІМС NSI45020AT1G — малогабаритний двовивідний стабілізатор струму, призначений для керування малопотужними світлодіодами. Мікросхема випускається в корпусі SOD-123, забезпечує струм 20 мА і не потребує додаткових зовнішніх компонентів.

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 завжди може бути контрольоване.

Для комутації конденсатора застосовується простий пристрій керування. При відкриванні ключа (транзистор Q2) відбувається заряд конденсатора С1 через мережу змінного струму та випрямляч (D1–D4). При закриванні ключа відбувається розряд конденсатора через світлодіоди та стабілізатор струму. Напруга відкривання транзистора Q1 визначається параметрами стабілітрона D5. При досягненні напруги на катоді стабілітрона 43 В струм, що протікає крізь стабілітрон, відкриває транзистор Q1, а транзистор Q2 — закривається.

Таким чином, струм, що споживається від мережі, має імпульсний характер і протікає лише під час зарядки конденсатора С1, тобто в інтервалах, коли миттєве значення мережної напруги нижче ніж 43 В.

На рис. 3 наведено ще один варіант схеми безтрансформаторного драйвера світлодіодів без використання ІМС стабілізатора струму .

Інтервал часу, протягом якого транзистор Q2 знаходиться у відкритому стані, досить короткий у порівнянні з тривалістю напівперіоду мережі. Зменшення напруги на ланцюжку світлодіодів у моменти, коли транзистор Q2 закритий, безпосередньо залежить від ємності накопичувального конденсатора та струму через світлодіоди.

З діаграми видно, що зарядка конденсатора відбувається в інтервалі наростання мережної напруги та завершується при досягненні значення амплітуди 39 В (D1). Струм споживається імпульсно, як і у випадку мостового випрямляча. Кут фазового зсуву між струмом і напругою залежить від стабілітронної напруги. Ці особливості схем (рис. 2, 3) не дозволяють отримати високе значення PF.

Модифікований варіант на LM317

Схема модифікованого безтрансформаторного драйвера наведена на рис. 4 .

У цій схемі стабілізатор струму реалізований на ІМС LM317AH. Додатково передбачено обмеження амплітуди струму зарядки конденсатора при ввімкненні живлення — на транзисторі Q3 і резисторі R9. Поки транзистор Q3 не відкрився, струм зарядки (1.35 А) обмежується резистором R9 (100 Ом). Залежність ККД від живлення наведена в таблиці 1.

Таблиця 1. Залежність ККД драйвера від напруги живлення

Схема бестрансформаторного півмостового драйвера світлодіодів

Схема бестрансформаторного півмостового драйвера світлодіодів наведена на рис. 5 . Стрілками червоного і синього кольорів показано напрямки протікання струму через світлодіоди при зміні полярності мережевої напруги. Амплітуда струму, що споживається від мережі, обмежується опором резистора R5 з позитивним температурним коефіцієнтом (PTC) і реактивним опором конденсаторів C4 і C5. Замість цих конденсаторів можна використовувати резистори опором 50…200 Ом, однак у цьому випадку неминуче зростають втрати потужності. В підсилювачах струму з від’ємним 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 за наявності та відсутності фільтрувального конденсатора C2 показана на рис. 5. Істотний недолік наведених схем бестрансформаторних драйверів світлодіодів – невисокий коефіцієнт потужності.

Мікросхеми з високим коефіцієнтом потужності

Останнім часом низка виробників випустила мікросхеми, орієнтовані на створення бестрансформаторних драйверів світлодіодів, у яких коефіцієнт потужності досягає значення 0.9 і більше. Серед них 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 понад 80–85% і THD – менше 20–30%.

Принцип поетапного підключення світлодіодних секцій

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

Варіант 1: кілька стабілізаторів струму

У першому варіанті використовуються кілька стабілізаторів та вимірювачів струму, що протікає через секції світлодіодів. Така структурна схема застосовується в більшості доступних на ринку ІМС (ACT801, CL8800/1, DR3062 та багатьох інших). На рис. 6 наведена структурна схема підключення мікросхеми DR3062 при роботі від мережі 220 В, форма споживаного від мережі струму (IL) наведена на рис. 7. Принцип роботи полягає в тому, що при підвищенні струму у відповідному вимірювальному ланцюгу до заданого значення відбувається поетапне вимкнення стабілізаторів струму. При збільшенні струму в ланцюзі I2 до заданого значення вимикається стабілізатор I1, при збільшенні струму в ланцюзі I3 вимикається 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 увесь ланцюжок світлодіодів.

Варіант 2: один стабілізатор і MOSFET-ключі

У другому варіанті використовується лише один стабілізатор струму, а для комутації секцій світлодіодів застосовуються транзисторні ключі, що перемикаються спеціальним пристроєм керування. Такий принцип побудови бестрансформаторного драйвера світлодіодів реалізується за допомогою мікросхеми TPS92411 (рис. 8), анонсованої наприкінці 2013 року, яка є по суті «плаваючим» МОП-ключем з пристроєм керування . Структурна схема ІМС TPS92411 наведена на рис. 9. Опір транзисторного ключа у відкритому стані становить 2 Ом (типове значення), допустима напруга – 100 В, швидкість наростання вихідної напруги при вмиканні – 1 В/мкс. Мікросхема виготовляється в корпусах DBV (SOT23-5) або DDA (SO-8 Power-Pad) та забезпечує максимальний струм до 200 або 350 мА відповідно. Діапазон допустимої температури кристала – від −40 до +165 °C. Тепловий опір RΘjb – 38 (DBV) або 39.1 °C/Вт (DDA). Використання мікросхеми TPS92411 у драйверах світлодіодів забезпечує коефіцієнт потужності понад 0.9.

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

Робота драйвера на TPS92411

Ланцюжок світлодіодів розбивають на три секції так, щоб сума падіння напруги на секціях приблизно дорівнювала амплітудному значенню мережевої напруги. Для мережі 230 В рекомендовані значення: 40, 80 і 160 В . Для керування станом (увімкнено/вимкнено) вбудованого комутуючого МОП-транзистора використовуються RS-тригер і два компаратори (рис. 9) з регульованою напругою спрацювання, що задається двома зовнішніми резисторами. Напруга порога спрацювання компаратора, при якій відбувається розмикання ключа, вибирається приблизно на 8–12 В вище падіння напруги на відповідних секціях світлодіодів. Для схеми на рис. 10 це 49, 89 і 169 В. Рекомендована напруга порога, при якій відбувається замикання МОП-ключа, становить приблизно 6 В. Таким чином, при досягненні 49 В на першій секції світлодіодів (1) МОП-транзистор переходить у закритий стан і через світлодіоди цієї секції відбувається розряд відповідного конденсатора. Послідовність увімкнення/вимкнення 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.

Розрахунок струму та параметрів драйвера

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). 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

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.