ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ

ВВЕДЕНИЕ

Неотъемлемая составляющая светодиодных ламп – драйвер светодиодов – устройство преобразования переменного сетевого напряжения в ток, протекающий через светодиоды [1-8].
Идеальный драйвер светодиодов – это драйвер, поддерживающий неизменное значение тока, протекающего через светодиоды. В этом случае величина прямого падения напряжения на светодиодах не имеет существенногозначения, что исключает процесс отбора светодиодов по величине падения напряжения, а, кроме того, исключается влияние температурного коэффициента прямого падения напряжения. Драйверы светодиодов могут быть созданы как на базе разнообразных импульсных преобразователей, так и линейных стабилизаторов тока.
Преимущества бестрансформаторных драйверов светодиодов очевидны – это отсутствие импульсного AC/DC- или DC/DC-преобразователя и соответственно – катушки индуктивности или трансформатора, а также громоздкого помехоподавляющего фильтра, а в некоторых случаях и электролитических конденсаторов, что снижает, в конечном счете, стоимость и га-
бариты светодиодной лампы. Однако не следует забывать, что источники питания светодиодов, созданные с использованием бестрансформаторных драйверов, – неизолированные, т.е. в них имеется гальваническая связь между первичной сетью переменного тока и светодиодами. Поэтому следует уделять особое внима ние мерам по защите потребителя от поражения электрическим током.
Импульсные AC/DC- и DC/DC-преобразователи, наиболее часто в настоящее время применяемые в источниках питания светодиодных ламп, во многом обеспечивают высокие светотехнические и электрические параметры в широком диапазоне изменения сетевого напряжения. Это, в первую очередь: КПД, коэффициент мощности (Power Factor – PF) и коэффициент гармоник потребляемого от сети тока (Total Harmonic Distortion – THD).
Однако вследствие применения трансформатора их отличают сравнительно высокая стоимость, сложность и большие габариты. Поэтому весьма заманчиво исключить неотъемлемую составляющую таких преобразователей – катушки индуктивности или трансформатор.
В статье рассматриваются варианты бестрансформаторных драйверов светодиодов разной сложности. И хотя в ряде схем даны номинальные значения параметров многих компонентов, в статье рассматриваются лишь возможные варианты построения драйверов светодиодов, а не законченные и протестированные решения, предназначенные для использования на практике.

БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ДРАЙВЕРЫ СВЕТОДИОДОВ

Схемы подключения светодиодов непосредственно к сети переменного тока без использования импульсных AC/DC- или DC/DC-преобразователей, получили название Direct-AC-Drive. Далее рассматриваются бестрансформаторные драйверы светодиодов, ориентированные на создание недорогих неизолированных источников питания светодиодов, предназначенных для применения в разных приложениях.
Один из возможных простых вариантов структурной схемы подключения светодиодов непосредственно к сети переменного тока (220 В/50 Гц) приведен на рис. 1. В этой схеме используется так называемый стабилизатор тока типа CCR (Constant Current Regulator). Ряд компаний предлагает специализированные микросхемы стабилизаторов тока (NSI50350AS, CL220, CCSL-1/2/3/4, LND081A/B/C, CL6807 и пр.), обеспечивающие сохранение заданного тока при изменении напряжения питания и ориентированные на использование в драйверах светодиодов. Микросхемы (NSIxxx), выпускаемые компанией ON Semiconductor, обеспечивают ток нагрузки в диапазоне от 20 до 350 мА при максимальном падении напряжения на стабилизаторе от 45 до 120 В. Для увеличения тока через светодиоды допускается параллельное подключение микросхем. В зависимости от величины тока стабилизации и допустимой рассеиваемой мощности микросхемы изготавливаются в разных корпусах (SOT223, DPAK, SMB) и предназначены для работы при температуре кристалла в диапазоне -55…150 °C или -55…175 °C (например, NSI50350AST3G). Микросхема CL220 (Super tex Inc.) обеспечивает ток 20 ±2 мА при падении напряжения на стабилизаторе от 5 до 160 В. Допустимое значение падения напряжения составляет 220 В, динамическое сопротивление – 300 кОм. Стабилизированный ток имеет температурный коэффициент 0.01 %/°C (типовое значение). Тепловое сопротивле ние RΘja – 70 или 78 °C/Вт в зависимости от типа корпуса и площади поверхности печатной платы, предназначенной для отвода тепла. ИМС CL220 изготавливается в корпусе TO-252 (D-PAK) или TO-220 и предназначена для работы при температуре кристалла в диапазоне -40…125 °C.

Рис. 1. Структурная схема бестрансформаторного источника питания светодиодов

Приведенная на рис. 1 схема имеет ряд недостатков. При работе в широком диапазоне изменения сетевого напряжения (V) падение напряжения на микросхеме стабилизатора тока (VCCR) также изменяется в больших пределах, что соответственно вызывает увеличение потерь мощности и снижение КПД.

Ток через светодиоды протекает только в те интервалы времени, когда сетевое напряжение превышает падение напряжения на ИМС стабилизатора тока и цепочки подключенных светодиодов, что не позволяет получить высокое значение PF. В этом случае приходится искать компромисс между величиной рассеиваемой мощности и длительностью интервала протекания тока через светодиоды.
Обеспечить более эффективную работу стабилизатора тока в большом диапазоне изменения сетевого напряжения, не увеличивая при этом рассеиваемую на нем мощность (и соответственно не снижая КПД) можно при использовании энергии накопительного коммутируемого конденсатора соответствующей емкости. На рис. 2 приведена схема одного из простейших вариантов бестрансформаторного
драйвера светодиодов с использованием стабилизатора тока типа NSI45020AT1G (ON Semicon ductor) и накопительного конденсатора [1, 2]. ИМС NSI45020AT1G – малогабаритный, двух выводной стабилизатор тока, предназначенный для управления маломощными светодиодами. Микросхема выпускается в корпусе SOD-123, обеспечивает ток 20 мА и для ее подключения не требуются дополнительные внешние компоненты.
Принцип работы заключается в следующем. Конденсатор поэтапно заряжается до напряжения VLED + VCCR, а затем разряжается через цепочку светодиодов и ИМС стабилизатора тока. В этом случае падение напряжения на стабилизаторе изменяется в заданном диапазоне и его всегда можно контролировать. Для коммутации конденсатора применяется простейшее устройство управления. При открывании ключа (транзистор Q2) выполняется зарядка накопительного конденсатора С1 от сети переменного тока через выпрямитель (D1-D4). При закрывании этого ключа происходит разрядка конденсатора через цепочку светодиодов и стабилизатор тока. Напряжение, при котором открывается транзистор Q1, определяется параметрами стабилитрона D5. Когда напряжение на катоде стабилитрона увеличивается до 43 В (см. рис. 2), ток, протекающий через стабилитрон, открывает транзистор Q1, а транзистор Q2 соответственно закрывается.

Таким образом, потребляемый от сети ток носит импульсный характер и протекает только в процессе зарядки конденсатора С1, т.е. в интервалах, когда мгновенное значение амплитуды сетевого напряжения становится меньше 43 В.
На рис. 3 приведен еще один из вариантов схемы бестрансформаторного драйвера светодиодов без использования ИМС стабилизатора тока [1, 2]. Диаграмму, поясняющую принцип работы драйвера, см. на рис. 3.

Рис. 3. Вариант схемы бестрансформаторного драйвера светодиодов и диаграмма, поясняющая принцип его работы

Интервал времени, в течение которого транзистор Q2 находится в открытом состоянии, довольно непродолжителен в сравнении с длительностью полупериода частоты сетевого напряжения. Уменьшение напряжения на цепочке светодиодов в интервалах времени, когда закрыт транзистор Q2, непосредственно связано с величиной емкости накопительного конденсатора и тока через цепочку светодиодов. Как следует из диаграммы, зарядка этого конденсатора происходит в интервале увеличения сетевого напряжения и заканчивается при достижении значения амплитуды 39 В (D1). Следовательно, потребляемый от сети ток носит импульсный характер, как и в случае использования обычного мостового выпрямителя с емкостной нагрузкой. Ток протекает только в процессе зарядки конденсатора С2, а угол сдвига фаз между сетевым напряжением и потребляемым током зависит от напряжения открывания стабилитрона. Все эти особенности схем (рис. 2, 3) не позволяют получить большое значение коэффициента мощности.
Вариант схемы модифицированного бестрансформаторного драйвера светодиодов приведен на рис. 4 [1].

Рис. 4. Схема драйвера светодиодов с использованием ИМС LM317

В этой схеме стабилизатор тока реализован на микросхеме LM317AH. Кроме того, предусмотрено ограничение амплиту ды тока зарядки конденсатора при включении питания. Устройство ограничения реализовано на транзисторе Q3 и резисторе R9. Пока транзистор Q3 не переключится в открытое состояние ток зарядки конденсатора (1.35 А) ограничивается резистором R9 (100 Ом). Зависимость КПД от напряжения питания приведена в таблице 1 [1].

Таблица 1. Зависимость КПД драйвера от напряжения питания 

Схема бестрансформаторного полумостового драйвера светодиодов приведена на рис. 5 [3]. Стрелками красного и синего цвета показаны направления протекания тока через светодиоды при изменении полярности сетевого напряжения. Амплитуда тока, потребляемого от сети, ограничивается сопротивлением резистора R5 с положительным температурным коэффициентом (PTC) и реактивным сопротивлением конденсаторов С4 и С5. Взамен этих конденсаторов можно использовать резисторы сопротивлением 50…200 Ом, однако в этом случае неизбежно возрастают потери мощности. В усилителях тока с отрицательной обратной связью (Q1, Q3 и Q2, Q4) в качестве токочувствительных элементов используются резисторы R3, R4. Ток базы транзисторов Q1, Q2 ограничен на уровне 150 мкА. Форма напряжения пульсаций на цепочке светодиодов при наличии и отсутствии фильтрующего конденсатора С2 показана на рис. 5.
Существенный недостаток приведенных схем бестрансформаторных драйверов светодиодов – невысокий коэффициент мощности.

Рис. 5. Схема мостового драйвера светодиодов

В последнее время ряд компаний-производителей выпустил микросхемы, ориентированные на создание бестрансформаторных драйверов светодиодов, в которых коэффициент мощности достигает значения 0.9 и более. В их числе 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). Эти микросхемы обеспечивают типовое значение КПД более 80-85% и THD – менее 20-30%.
Уменьшить потери мощности и увеличить PF можно простым путем. В идеальном случае по мере нарастания сетевого напряжения на величину падения напряжения на одном светодиоде (2.8-3.5 В для белых светодиодов) необходимо поэтапно увеличивать число подключенных к сети светодиодов, а при снижении сетевого напряжения – отключать их, таким способом изменяя число подключенных светодиодов. Таким образом, вся расходуемая мощность будет рассеиваться на светодиодах. Амплитудное значение сетевого напряжения 310 В (220 В × 1.41), поэтому потребуется примерно 100 светодиодов и сложное устройство управления. Чтобы упростить управление, цепочка светодиодов разбивается на 3-6 секций, а в устройстве управления в зависимости от величины сетевого напряжения или протекающего через секции светодиодов тока производится их коммутация. В зависимости от способа коммутации можно использовать два варианта структурной схемы подключения светодиодов.
В первом используются несколько стабилизаторов и измерителей тока, протекающего через секции светодиодов. Такая структурная схема применяется в большинстве предлагаемых на рынке ИМС (ACT801, CL8800/1, DR3062 и многих др.) На рис. 6 [4] приведена структурная схема подключения микросхемы DR3062 при работе от сети напряжением 220 В, форма потребляемого от сети тока (IL)приведена на рис. 7. Принцип работы заключается в следующем (см. рис. 6). При повышении тока в соответствующей измерительной цепи до заданного значения происходит поэтапное отключение стабилизаторов тока. При увеличении тока в цепи I2 до заданного значения отключается стабилизатор I1, при увеличении тока в цепи I3 отключается стабилизатор I2 и т.д. В результате при сетевом напряжении, равном падению напряжения на всей цепочке светодиодов и стабилизаторе тока I6, подключен только один стабилизатор I6 и ток протекает последовательно через всю цепочку светодиодов.

Рис. 6. Структурная схема драйвера светодиодов с использованием ИМС DR3062

Рис. 7. Форма потребляемого от сети тока при использовании ИМС DR3062

Во втором варианте используется только один стабилизатор тока, а для коммутации секций светодиодов применяются транзисторные ключи, переключаемые специальным устройством управления. Такой принцип построения бестрансформаторного драйвера светодиодов реализуется с применением анонсированной в конце 2013 года микросхемы TPS92411 (рис. 8), которая представляет собой, по сути, «плавающий» МОП-ключ с устройством управления [6-8]. Структурная схема ИМС TPS92411 приведена на рис. 9. Сопротивление транзисторного ключа в открытом состоянии 2 Ом (типовое значение), допустимое напряжение – 100 В, скорость нарастания выходного напряжения при включении – 1 В/мкс. Микросхема изготавливается в корпусе DBV (SOT23-5) или DDA (SO-8 Power-Pad) и обеспечивает максимальный ток до 200 или 350 мА соответственно. Диапазон допустимой температуры кристалла -40…165 °C. Тепловое сопротивление RΘjb – 38 (DBV) или 39.1 °C/Вт (DDA). Использование микросхемы TPS92411 в драйверах светодиодов обеспечивает получение коэффициента мощности более 0.9.
На рис. 10 приведена схема драйвера светодиодов, в котором использована микросхема TPS92411, и временная диаграмма, поясняющая принцип его работы.

Рис. 8. Структурная схема драйвера светодиодов с использованием ИМС TPS92411

Цепочка светодиодов разбивается на три секции таким образом, чтобы сумма падения напряжения на секциях была примерно равна амплитудному значению сетевого напряжения. При напряжении сети 230 В рекомендуемые значения: 40, 80 и 160 В [6]. Для управления состоянием (вкл./откл.) встроенного коммутирующего МОП-транзистора используются RS-триггер и два компаратора (см. рис. 9) с регулируемым напряжением срабатывания, устанавливаемым с использованием всего двух внешних резисторов. Напряжение порога срабатывания компаратора, при котором происходит размыкание ключа, выбираетсяпримерно на 8-12 В выше падения напряжения на соответствующих подключенных секциях светодиодов. Для приведенной на рис. 10 схемы – это 49, 89 и 169 В. Рекомендуемое напряжение порога, при котором происходит замыкание МОП-ключа, составляет примерно 6 В. Таким образом, при достижении напряжения 49 В на первой секции светодиодов (1) МОП-транзистор переходит в закрытое состояние и через светодиоды этой секции происходит разряд подключенного к ней конденсатора. Последовательность вкл./откл. транзисторных ключей всех трех (1-3) секций светодиодов в соответствии с изменением амплитуды сетевого напряжения показана на рис. 10. Стабилизатор тока (Q1, Q2) поддерживает заданный ток при изменении сетевого напряжения.

Рис. 9. Структурная схема ИМС TPS92411

Рис. 10. Схема драйвера светодиодов с использованием ИМС TPS92411 и диаграмма, поясняющая его работу

Величина тока определяется допустимой потребляемой мощ ностью и сопротивлением резистора RCS. К примеру, при потребляемой мощности 16 Вт величина тока составляет 0.07 А (16 Вт/230 В). Сопротивление резистора RCS определяется из отношения 2.44 В/0.07 А = 34.8 Ом.
На web-сайте компании Texas Instruments можно найти программу в формате Excel для расчета номинальных значений параметров компонентов и драйвера светодиодов с использованием микросхемы TPS92411. Кроме того, в [7] приведены электрическая схема и параметры прототипа драйвера светодиодов для сетевого напряжения 120 В. Параметры прототипа драйвера даны в таблице 2. На рис. 11 приведены осциллограммы сетевого напряжения, потребляемого от сети тока и напряжения на выходе стабилизатора тока (сток Q1).

Таблица 2. Параметры драйвера светодиодов с использованием ИМС TPS92411

Рис. 11. Схема драйвера светодиодов с использованием ИМС TPS92411 и диаграмма, поясняющая его работу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Недостаток, присущий всем рассмотренным бестрансформаторным драйверам светодиодов, – пульсации тока через светодиоды с частотой, равной удвоенной частоте сети, и, как следствие, повышенный коэффициент пульсаций освещенности. Тем не менее, недорогие и надежные неизолированные бестрансформаторные драйверы светодиодов могут найти применение в светодиодных лампах, ориентированных на самые разные приложения, в том числе в системах интерьерной и архитектурной подсветки, светильниках для ЖКХ и многих других. Несомненно, простота их изготовления и соответственно низкая стоимость в сравнении с другими типами драйверов делают их привлекательными для использования в многочисленных приложениях.