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.

Мал. 1. Структурна схема безтрансформаторного джерела живлення світлодіодів

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.

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 . 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 . 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 .

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 .

Таблица 1. Зависимость КПД драйвера от напряжения питания 

Схема бестрансформаторного полумостового драйвера светодиодов приведена на рис. 5 . 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 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 . 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 . 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 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

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.