ДРАЙВЕРИ СВІТОДІОДІВ

ВСТУП

Невід’ємною складовою світлодіодних ламп є драйвер світлодіодів – пристрій перетворення змінної мережевої напруги на струм, що протікає через світлодіоди .
Ідеальний драйвер світлодіодів – це драйвер, який підтримує незмінне значення струму, що протікає через світлодіоди. У цьому разі величина прямого падіння напруги на світлодіодах не має істотного значення, що виключає процес відбору світлодіодів за величиною падіння напруги, а також усуває вплив температурного коефіцієнта прямого падіння напруги. Драйвери світлодіодів можуть бути створені як на базі різноманітних імпульсних перетворювачів, так і лінійних стабілізаторів струму.

Переваги бестрансформаторних драйверів світлодіодів очевидні – це відсутність імпульсного AC/DC- або DC/DC-перетворювача і відповідно індуктивної котушки або трансформатора, а також громіздкого фільтра придушення перешкод, а в окремих випадках і електролітичних конденсаторів, що знижує, зрештою, вартість і габарити світлодіодної лампи. Водночас слід пам’ятати, що джерела живлення світлодіодів, створені з використанням бестрансформаторних драйверів, є неізольованими, тобто в них існує гальванічний зв’язок між первинною мережею змінного струму та світлодіодами. Тому необхідно приділяти особливу увагу заходам із захисту споживача від ураження електричним струмом.

Імпульсні AC/DC- і DC/DC-перетворювачі, що найчастіше застосовуються сьогодні у джерелах живлення світлодіодних ламп, значною мірою забезпечують високі світлотехнічні та електричні параметри у широкому діапазоні зміни мережевої напруги. Передусім це: ККД, коефіцієнт потужності (Power Factor – PF) та коефіцієнт гармонік споживаного від мережі струму (Total Harmonic Distortion – THD).

Однак через використання трансформатора вони характеризуються порівняно високою вартістю, складністю та великими габаритами. Тому є спокуса виключити невід’ємний елемент таких перетворювачів – індуктивну котушку або трансформатор.

У статті розглядаються варіанти бестрансформаторних драйверів світлодіодів різної складності. Хоча в низці схем наведено номінальні значення параметрів багатьох компонентів, у статті описані лише можливі варіанти побудови драйверів світлодіодів, а не завершені та протестовані рішення, призначені для практичного застосування.

БЕЗТРАНСФОРМАТОРНІ ДРАЙВЕРИ СВІТЛОДІОДІВ

Схеми підключення світлодіодів безпосередньо до мережі змінного струму без використання імпульсних AC/DC- або DC/DC-перетворювачів отримали назву Direct-AC-Drive. Далі розглядаються бестрансформаторні драйвери світлодіодів, орієнтовані на створення недорогих неізольованих джерел живлення світлодіодів, призначених для застосування в різних пристроях.

Один із можливих простих варіантів структурної схеми підключення світлодіодів безпосередньо до мережі змінного струму (220 В/50 Гц) наведений 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.), які забезпечують підтримання заданого струму при зміні напруги живлення та орієнтовані на використання в драйверах світлодіодів.

Мікросхеми (NSIxxx) компанії ON Semiconductor забезпечують струм навантаження у 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 та допустимої розсіюваної потужності мікросхеми виготовляються в різних корпусах (SOT223, DPAK, SMB) та призначені для роботи при температурі кристала в діапазоні −55…150 °C або −55…175 °C (наприклад, NSI50350AST3G).

Мікросхема CL220 (Supertex 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 й площі поверхні друкованої плати для відведення тепла. ІМС CL220 виготовляється в корпусі TO-252 (D-PAK) або TO-220 і призначена для роботи при температурі кристала в діапазоні −40…125 °C.

Приведена на рис. 1 схема має ряд недоліків. Під час роботи в широкому діапазоні зміни мережевої напруги (V) падіння напруги на мікросхемі стабілізатора струму (VCCR) також змінюється у великих межах, що відповідно викликає збільшення втрат потужності та зниження ККД.

Протікання струму через світлодіоди та проблема коефіцієнта потужності

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

Використання накопичувального комутованого конденсатора

Забезпечити більш ефективну роботу стабілізатора струму в 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 бестрансформаторного драйвера світлодіодів з 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 для її підключення не потрібні додаткові зовнішні компоненти.

Принцип роботи схеми з накопичувальним конденсатором

Принцип роботи полягає в наступному. Конденсатор поетапно заряджається до напруги VLED + VCCR, а потім розряджається через ланцюжок світлодіодів та ІМС стабілізатора струму. У цьому випадку падіння напруги на стабілізаторі змінюється у заданому діапазоні і його завжди можна контролювати. Для комутації конденсатора застосовується найпростіший пристрій керування. 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 має імпульсний характер і протікає тільки в процесі зарядки конденсатора С1, тобто в інтервалах, коли миттєве значення амплітуди мережевої напруги стає меншим за 43 В.

Інші варіанти схем бестрансформаторних драйверів

На рис. 3 наведено ще один варіант схеми бестрансформаторного 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, доволі нетривалий у порівнянні з тривалістю півперіоду частоти мережевої напруги. Зменшення напруги на ланцюжку світлодіодів у часових інтервалах, коли транзистор Q2 закритий, безпосередньо пов’язано з величиною ємності накопичувального конденсатора і струмом через ланцюжок світлодіодів. Як випливає з діаграми, зарядка цього конденсатора відбувається в інтервалі зростання мережевої напруги і закінчується при досягненні амплітуди 39 В (D1). Отже, споживаний від мережі струм має 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.

Модифікований варіант драйвера світлодіодів

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

У цій схемі стабілізатор струму реалізовано на мікросхемі LM317AH. Крім того, передбачено обмеження амплітуди струму зарядки конденсатора під час ввімкнення живлення. Пристрій обмеження реалізовано на транзисторі Q3 і резисторі R9. Поки транзистор Q3 не перемикається у відкрите 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 бестрансформаторного напівмостового драйвера

Схема бестрансформаторного напівмостового драйвера світлодіодів наведена на рис. 5 . Стрілками червоного та синього кольору показані 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) та реактивним опором конденсаторів С4 і С5. Замість 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 та 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 фільтруючого конденсатора С2 показана на рис. 5.

Суттєвий недолік наведених схем бестрансформаторних драйверів світлодіодів – невисокий коефіцієнт потужності.

Нові мікросхеми для покращення PF та ККД

Останнім часом ряд компаній-виробників випустив мікросхеми, орієнтовані на створення бестрансформаторних драйверів світлодіодів, у яких коефіцієнт потужності досягає 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%.

Метод підвищення коефіцієнта потужності

Зменшити втрати потужності та збільшити PF можна простим шляхом. В ідеальному випадку в міру зростання 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 мережевої напруги – відключати їх, таким чином змінюючи кількість підключених світлодіодів. Уся розсіювана потужність у такому разі буде виділятися на світлодіодах.

Амплітудне значення мережевої напруги становить 310 В (220 В × 1.41), тому потрібно приблизно 100 світлодіодів і складний пристрій керування. Щоб спростити керування, ланцюжок світлодіодів поділяється на 3–6 секцій, а в пристрої керування залежно від величини мережевої напруги або струму, що протікає через секції, здійснюється їх комутація.

Залежно від способу комутації існують два варіанти структурної схеми підключення світлодіодів.

Перший варіант: кілька стабілізаторів та вимірювачів струму

У першому використовуються декілька стабілізаторів і вимірювачів струму, що протікає через секції світлодіодів. Така структурна схема застосовується в більшості мікросхем, представлених на ринку (ACT801, CL8800/1, DR3062 та ін.).

На рис. 6 наведена структурна схема підключення мікросхеми DR3062 при роботі від мережі 220 В; форма струму, що споживається від мережі (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 – стабілізатор I2 і т. д. У результаті при мережевій напрузі, рівній падінню напруги на всьому ланцюжку світлодіодів та стабілізаторі струму I6, підключеним залишається тільки один стабілізатор I6, і струм протікає послідовно через увесь ланцюжок світлодіодів.

Другий варіант: один стабілізатор і транзисторні ключі

У другому варіанті використовується тільки один стабілізатор струму, а для комутації секцій світлодіодів застосовуються транзисторні ключі, що перемикаються спеціальним пристроєм керування. Такий принцип побудови бестрансформаторного драйвера світлодіодів реалізовано з використанням анонсованої наприкінці 2013 року мікросхеми TPS92411 (рис. 8), яка фактично є «плаваючим» МОП-ключем з пристроєм керування .

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 вмиканні – 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 – 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 наведено схему драйвера світлодіодів із використанням ІМС TPS92411 і часову діаграму, що пояснює принцип його роботи.

Принцип роботи драйвера з TPS92411

Ланцюжок світлодіодів поділяється на три секції таким чином, щоб сума падінь напруги на секціях була приблизно рівною амплітудному значенню мережевої напруги. При напрузі мережі 230 В рекомендовані значення: 40, 80 і 160 В .

Для керування станом (увімк./вимк.) вбудованого комутаційного МОП-транзистора використовуються RS-тригер і два компаратори (див. рис. 9) з регульованою напругою спрацювання, яку встановлюють за допомогою лише двох зовнішніх резисторів. Напруга порога спрацювання компаратора, при якій відбувається розмикання ключа, вибирається приблизно на 8–12 В вище падіння напруги на відповідних підключених секціях світлодіодів. Для наведеної схеми (рис. 10) це 49, 89 і 169 В. Рекомендована напруга порога 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 увімк./вимк. транзисторних ключів усіх трьох секцій (1–3) відповідно до зміни амплітуди мережевої напруги показана на рис. 10. Стабілізатор струму (Q1, Q2) підтримує заданий струм при зміні мережевої напруги.

Параметри драйвера на TPS92411

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

На web-сайті компанії Texas Instruments доступна програма у форматі Excel для розрахунку номінальних значень параметрів компонентів і драйвера світлодіодів із використанням мікросхеми TPS92411. Крім того, у наведено електричну схему і параметри прототипу драйвера для мережевої напруги 120 В. Параметри прототипу наведено в таблиці 2. На рис. 11 подано осцилограми мережевої напруги, струму, що споживається, та напруги на виході стабілізатора струму (сток Q1).

Таблиця 2. Параметри драйвера світлодіодів з використанням ІМС TPS92411

Висновок

Недолік, притаманний усім розглянутим бестрансформаторним драйверам світлодіодів, – пульсації струму через світлодіоди з частотою, рівною подвоєній частоті мережі, і, як наслідок, підвищений коефіцієнт пульсацій освітленості. Проте недорогі та надійні неізольовані бестрансформаторні драйвери світлодіодів можуть знайти застосування у світлодіодних лампах, орієнтованих на найрізноманітніші сфери, зокрема в системах інтер’єрної та архітектурної підсвітки, світильниках для ЖКГ та багатьох інших. Безумовно, простота їх виготовлення та низька вартість у порівнянні з іншими типами драйверів роблять їх привабливими для використання в численних застосуваннях.