MEREDIAN LED TECHNOLOGY
MEREDIAN I&E .CO., LTD

Сетевые источники питания для светодиодных светильников

Почти полуторавековая «эра» применения ламп накаливания в настоящее время подходит к концу. На смену им на короткое время сначала пришли энергосберегающие люминисцентные лампы, а в последнее время все более прочные позиции занимают светодиодные светильники.

К сожалению, принципы питания электрических ламп накаливания настолько укоренились в массовом сознании, что механически переносятся и на светодиодные светильники. Однако, если лампу накаливания достаточно подключить к соответствующему напряжению, неважно, переменного или постоянного тока, чтобы она светила, то светодиодам требуются источники питания с особыми характеристиками, которые мы сейчас и рассмотрим.

Принцип работы светодиодных драйверов

Светодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, состоящий из двух зон, одна из которых содержит свободные электроны, а другая — «дырки». Свечение возникает при рекомбинации электронов и дырок в области перехода между этими двумя зонами. Яркость свечения в первом приближении пропорциональна силе протекающего через него тока.

А как же быть с напряжением? Ведь лампы накаливания способны светить при самых разных величинах питающего напряжения — от долей вольта до нескольких тысяч вольт, лишь бы сопротивление спирали соответствовало нужному значению в соответствии с законом Ома. Оказывается, никак! P-N-переход — структура, обладающая фиксированным порогом, при котором возникает излучение света и зависящем только от материала кристалла и технологии его изготовления. Для светодиодов разного цвета он составляет от 1,6 В (инфракрасные и красные) до 4,4 В (ультрафиолетовые) — Рис. 1.

Схема 1

Рис. 1 Зависимость падения напряжения на P-N-переходе светодиодов разного цвета от силы протекающего через них тока

Наиболее часто применяемые для освещения белые светодиоды (на самом деле они либо синие, либо ультрафиолетовые, покрытые люминофором, переизлучающим свет в видимом диапазоне), имеют падение на P-N-переходе порядка 3…3,3 В. Таким образом, светодиоды, в принципе, являются низковольными источниками света, к тому же требующими для своего питания постоянный ток. К относительно высокому напряжению их можно подключать, лишь соединив несколько светодиодов последовательно в «гирлянду».  

Как видно из Рис. 1, пока напряжение через P-N-переход светодиода не достигло порога открывания, ток через него практически не протекает и свет не излучается вообще! Как только переход открылся и через него начал протекать ток, начинается свечение. При этом минимальное приращение напряжения на P-N-переходе ведет к драматическому повышению тока через него (линия вольт-амперной характеристики идет почти вертикально). Если же при этом учесть, что протекание тока через светодиод вызывает его нагрев, при котором падение напряжения на P-N-переходе снижается, то очевидно, что при питании светодиодов стабильным напряжением ток через них будет все время возрастать, пока выделяющееся на кристалле тепло не превысит максимально допустимое значение и он не разрушится от теплового пробоя. Особенно критичен данный эффект для мощных светодиодов (0,5…1…2…5 Вт), которые по определению выделяют достаточно много тепла.

Поэтому светодиоды следует питать не стабильным напряжением, а стабильным током! А падение напряжения на P-N-переходе будет таким, какое уж получится при данном токе и температуре кристалла. Таким образом, источники питания для светодиодов (их еще называют «драйверами», т.е. «водителями») являются стабилизаторами тока.

Поскольку мы здесь рассматриваем только сетевые источники питания, то опустим особенности конструкции низковольтных светодиодных лент и светодиодных фонариков.

По принципу стабилизации выходного тока светодиодные драйверы, питающиеся от сети переменного тока напряжением 230 В (с 2014 г. действует ГОСТ 32144-2013, в котором это напряжение задекларировано вместо привычных 220 В!), можно подразделить:

  1. на базе реактивного сопротивления балластного конденсатора, и
  2. на базе импульсных преобразователей входного переменного напряжения в постоянный выходной ток.

Конденсаторный драйвер является самым простым по конструкции, но в то же время и с самыми отвратительными характеристиками излучаемого света. Поскольку на частоте 50 Гц через балластный конденсатор протекает примерно 70 мА тока на каждую микрофараду емкости, то очевидно, что для питания даже одноваттных светодиодов током до 350 мА, потребуется емкость порядка 4…5 мкФ. Габариты такого конденсатора будут чрезмерно большими, а пульсации яркости светильника с таким драйвером — неприемлемо высокими (Рис. 2).

 

Cветодиодная лампа

Рис. 2  Пульсации яркости светодиодной лампы с конденсаторным драйвером, фиксируемые камерой смартфона
(горизонтальные чередующиеся темные и светлые полосы)

У конденсаторных драйверов есть еще оно крайне неприятное свойство. При подаче питания на пике синусоиды сетевого напряжения импульс тока через конденсатор намного превышает допустимый для светодиодов, вызывая их электрический пробой.

На Рис. 3 приведены фото двух светодиодных ламп. Слева — с конденсаторным драйвером и справа – с полупроводниковым преобразователем. Как видно, пульсации яркости левой лампы с частотой сети не позволяют отнести ее к категории полезных для глаз.

Фото работающей светодиодной лампы

Фото светодиодной лампы

Рис. 3  Фото работающих светодиодных ламп с конденсаторным драйвером (слева) и полупроводниковым генератором (справа)

Таким образом, задачей драйвера, предназначенного для питания светодиодных светильников, является формирование стабильного тока через них, при напряжении, соответствующем текущему падению на цепочке светодиодов.

По принципу связи с питающим сетевым напряжением транзисторные драйверы можно подразделить на изолированные, в которых выходные клеммы подачи напряжения на светодиоды (т.н. «холодная» часть), никак не связаны гальванически со входными цепями («горячая» часть) и неизолированные, в которых выходные клеммы тоже «горячие», т.е. гальванически соединены со входными. Драйверы первого типа предназначены для светильников, эксплуатирующихся под открытым небом и подвергающихся всем воздействиям непогоды (сырость, туман, дождь, снег и т.п.), а также в сырых помещениях и в ручных светильниках. Драйверы второго типа можно использовать в стационарных светильниках, размещаемых в помещениях, если не предусматривается прикосновения к ним руками. Конечно, и в этих случаях можно использовать драйверы первого типа, если устраивает их цена (первые, как правило, дороже вторых).

Опциональным (необязательным, но весьма желательным) узлом драйверов, а для светильников мощностью 20 Вт и более — обязательным, является корректор коэффициента мощности (ККМ или англоязычный термин —Power Factor Corrector, PFL). Он существенно снижает влияние выпрямителя с емкостным фильтром на форму сетевого напряжения (Рис. 4).

Диодно-конденсаторный корректор

Рис. 4  Искажения формы сетевого напряжения из-за влияния выпрямителя
с емкостным фильтром без корректора коэффициента мощности

Высокопроизводительный ККМ с хорошими параметрами выполняется на специализированных микросхемах. Рекомендуемый иногда (с целью удешевления) пассивный диодно-конденсаторный ККМ (Рис. 5) увеличивает уровень пульсаций выпрямленного сетевого напряжения, а следовательно, пульсаций яркости светильников и для глаз также не полезен.

Диодно-конденсаторный корректор

Рис. 5  Пассивный диодно-конденсаторный корректор коэффициента мощности (С1С2VD5VD6VD7)

На входе преобразователя обычно размещается сетевой противопомеховый конденсаторно-дроссельный фильтр (Рис. 6), главной задачей которого является отнюдь не защита самого преобразователя, а наоборот — предотвращение проникновения импульсных помех, формируемых преобразователем, в сеть, поскольку они могут привести к сбоям некоторых электронных устройств (модемы, телефоны и т.п.). В состав ККМ он обычно входит по умолчанию.

 

Конденсаторно-дроссельный фильтр

Рис. 6  Входной конденсаторно-дроссельный противопомеховый фильтр

Важным параметром источников питания светодиодных светильников является мощность, которую они могут обеспечить на светодиодах. Не углубляясь в обсуждение принципиальной разницы между вольт-амперами (В˖А) и Ваттами (Вт) и учитывая, что на каждом P-N-переходе падает 3…3,3 В, можно прикинуть, что светодиод мощностью один ватт потребляет ток, равный 0,3…0,35 А. Двухваттный — соответственно, 0,6…0,7 А и т.д. Мощность светодиодов, соединенных последовательно, суммируется, а поскольку на каждом из них падают те же 3…3,3 В, то суммируется и падение напряжения на их цепочке, тогда, как ток через нее остается неизменным, независимо от количества последовательно включенных светодиодов. Указанные токи являются максимально допустимыми при длительной (непрерывной) работе, разогревая кристалл светодиода до достаточно высоких температур. Практически для работы выбирают примерно 80 % от максимального значения допустимого тока. Яркость свечения при этом падает незначительно (практически незаметно для глаз), а вот нагрев — существенно, продлевая срок функционирования светодиодов.

Хотя выше было указано, что выходное напряжение источника питания светодиодных светильников является вторичным и некритичным параметром, вместе с тем, его следует учитывать при выборе драйвера. Если в техническом описании указано, что он способен обеспечить на выходе 15…115 В, то значит, что к такому драйверу можно подключить от 5 до 36 светодиодов, соединенных последовательно в одну цепочку (3…3,3 В ˖ 5…36 = 15…118 В).

Размеры драйвера хоть и являются второстепенным параметром, однако, могут сыграть определенную роль в конструкции светодиодных светильников, обеспечивая их миниатюризацию.

В заключение хотелось бы развеять широко распространенное заблуждение о необходимости защиты выхода светодиодного драйвера от короткого замыкания. Для стабилизаторов напряжения справедлива редакция формулы закона Ома:

где: I — ток нагрузки, U — выходное напряжение, R — сопротивление нагрузки.

При R, стремящемся к бесконечности (отсутствие нагрузки), выходной ток I стремится к нулю независимо от значения выходного напряжения U. И наоборот, при коротком замыкании (К.З.) выхода (R → 0) выходной ток стремится к бесконечности. Естественно, такой аварийной ситуации следует избегать, вводя в схему узел защиты от превышения выходного тока.

Для светодиодных драйверов, являющихся стабилизаторами тока, действует другая редакция формулы закона Ома:

Исходя из нее, видим, что при стремящемся к нулю сопротивлении нагрузки, к нулю стремится и выходное напряжение, независимо от установленного тока. Это значит, что режим К.З. их выхода (в отличие от стабилизаторов напряжения) является штатным. Иными словами, выходной ток больше того, на который настроен драйвер, не будет превышен никогда! А вот обрыв нагрузки, при котором ее сопротивление стремится к бесконечности, ведет к такому же, стремящемуся к бесконечности, росту выходного напряжения. Поскольку идеальных компонентов не бывает, это напряжение «найдет себе дорогу», разрушив (пробив) выходные цепи драйвера (Рис. 7). Поэтому светодиодный драйвер обязательно должен быть защищен от аварийного обрыва нагрузки, который является намного более вероятным, чем К.З.

Разрушение сетевого драйвера

Рис. 7  Разрушение сетевого драйвера светодиодного светильника
вследствие обрыва цепочки питаемых им светодиодов

Выбирая светодиодные драйверы обязательно обратите внимание на то, сертифицирован товар или нет. Электрооборудование, выполненное непрофессионалами  не сможет должным образом обеспечить надёжную работу ваших светодиодных светильников. Покупайте продукцию только у проверенных производителей.