Регулирование уровня яркости светодиодных светильников без эффекта мерцания

На сегодня светодиодная технология является господствующей в области устройств освещения. Уже обычными стали светодиодные фонари, светофоры, устройства освещения автомобилей, кроме того, наблюдается тенденция замены люминесцентных и ламп накаливания на светодиодные в жилых, коммерческих и производственных помещениях.

Объем электроэнергии, который будет сэкономлен при переходе к светодиодному освещению, просто ошеломляет. В одном только Китае власти подсчитали, что при переводе одной трети страны на светодиодное освещение ежегодно будет экономиться 100 млн кВт электрической энергии, а выброс углекислого газа в атмосферу уменьшится на 29 млн т. Однако в светодиодной технологии есть одна проблема, а именно — технология регулирования светового потока.

На лампах накаливания легко реализовать функцию уменьшения яркости, используя простой и дешевый регулятор освещенности, основанный на симисторе. Как результат — они применяются повсеместно. Чтобы светодиодные лампы стали действительно популярными и широко распространенными, необходимо внедрить в них эту функцию при использовании существующих контроллеров и инфраструктуры затемнения.

Яркость свечения ламп накаливания прекрасно поддается регулированию. По иронии судьбы этому способствует крайне низкая их эффективность и, как следствие, высокий ток, который позволяет диммеру (устройству для регулировки уровня освещения, или, иными словами, для затемнения) хорошо работать. Тепловая инерция нити накаливания также позволяет замаскировать любую неустойчивость или колебания, создаваемые диммером. Попытка регулировать яркость светодиодного светильника этим способом создает ряд проблем, таких как мерцание и другие нежелательные эффекты. Чтобы пояснить, почему это происходит, рассмотрим, как работают симисторные диммеры и как они взаимодействуют со светодиодными светильниками.
 

                   Рис. 1. Простой симисторный диммер

 
На рис. 1 изображен типичный симисторный диммер и его вольт-амперная характеристика.
Потенциометр R2 регулирует фазовый угол симистора, который открывается на каждой волне переменного напряжения, когда VC2 превышает напряжение переключения симистора. Когда ток симистора падает ниже его тока удержания (IH), симистор закрывается и ждет зарядки конденсатора С2 в течение следующей половины цикла для включения снова. Напряжение, прилагаемое к нити накаливания лампы, является функцией от фазового угла затемнения, который может варьироваться в диапазоне практически 0–180°.

Светодиодная лампа, призванная заменить лампу накаливания, как правило, содержит матрицу светодиодов, расположенных так, чтобы обеспечить максимальную светоотдачу. Светодиоды включены в цепь последовательно. Яркость каждого их них является функцией от тока, текущего через него. Кроме того, прямое падение напряжения на светодиоде составляет примерно 3,4 В (может изменяться в интервале 2,8–4,2 В). Цепочка светодиодов должна питаться от источника постоянного тока со строгим контролем выходных параметров для обеспечения соответствия между соседними лампами.

Чтобы светодиодная лампа была затемняемой, ее источник питания должен преобразовывать изменение фазового угла диммера в изменение постоянного тока питания светодиодной лампы. Трудности достижения этого эффекта в сочетании с правильной работой диммера могут привести к существенному снижению производительности. Могут появиться такие проблемы, как: большое время запуска, мерцание, неравномерное освещение, мигание (при установке минимального уровня освещения). Есть также проблемы с повторяемостью параметров (от изделия к изделию) и нежелательные аудиошумы, идущие от лампы. Эти нежелательные эффекты, как правило, вызваны сочетанием ложных открытий и преждевременных закрытий симисторов, а также недостаточным контролем тока светодиодов. Первопричиной ложного открытия симистора является так называемый токовый «звон» при открытии симистора. Рис. 2 наглядно иллюстрирует эту ситуацию.

Рис. 2. Ток и напряжение на входе источника питания светодиодного осветителя

 
В тот момент, когда симистор открывается, напряжение практически мгновенно прикладывается к входному LC-фильтру источника питания. Напряжение, приложенное к индуктивности, вызывает «звон». Если при этом ток тиристора упадет ниже тока удержания симистора, последний закрывается. Цепь диммера перезаряжается и вновь запускает симистор. Эти многократные перезапуски симистора могут вызвать нежелательные аудиошумы и мерцание светодиодной лампы. Простые ЭМИ-фильтры могут минимизировать этот нежелательный «звон». Для уверенной работы функции затемнения необходимо, чтобы входные дроссели и конденсаторы были как можно меньше.

Наиболее «звенящим» считается фазовый угол 90° (когда напряжение на пике синусоидальной волны прикладывается ко входу источника питания светодиодного светильника и высокое напряжение сети обуславливает минимальный питающий ток). Если необходимо осуществить глубокое затемнение (т. е. фазовый угол приближается к 180°) при низком питающем напряжении, может произойти преждевременное отключение светодиодной лампы. Чтобы этого не происходило, симистор должен открываться каждый цикл и оставаться открытым практически до того момента, когда переменное напряжение падает до нуля. Для обеспечения этого необходим ток удержания 8–40 мА. Для ламп накаливания поддержать этот ток не составляет никакого труда, однако при использовании светодиодных ламп, потребляющих менее 10% энергии эквивалентной лампы накаливания, ток может легко опуститься ниже уровня тока удержания, что заставит симистор преждевременно выключиться. Это объясняет мерцание и/или ограничение диапазона затемнения.

Ряд других проблем, с которыми может столкнуться разработчик при проектировании светодиодного осветителя, составляют: коэффициент мощности (по стандарту Energy Star он должен быть не менее 0,9 для коммерческих и промышленных применений), строгие требования по энергетической эффективности, строгие допуски по нестабильности выходного напряжения и ЭМИ, безопасность при КЗ и разрыве цепи светодиодов.

Последние разработки компании Power Integrations показывают, как можно обеспечить питание светодиодного осветителя и одновременно совместимость с существующими симисторными диммерами. На рис. 3 приведена схема источника питания 14 Вт для светодиодного светильника с возможностью внешнего затемнения, разработанного этой фирмой.

Рис. 3. Схема изолированного источника питания 14 Вт для светодиодного светильника, совместимого с существующими симисторными диммерами, с высоким коэффициентом мощности и универсальным диапазоном входного напряжения  (Увеличить...)

 
Основой источника является микросхема LNK406EG(U1) семейства LinkSwitch-PH. Представители данной линейки микросхем сочетают силовой MOSFET-ключ на 725 В и ШИМ-контроллер, работающий в режиме без разрыва тока основного дросселя. Контроллер выполняет функцию корректора коэффициента мощности (ККМ) и обеспечивает постоянный выходной ток. Технология контроля выходных параметров по первичной стороне, используемая в микросхемах LinkSwitch-PH, обеспечивает точный контроль выходного тока, избавляет от использования оптопары и части вторичной цепи, обычно применяемых в обратноходовых изолированных преобразователях, притом, что функция, отвечающая за ККМ, избавляет от использования входного накопительного электролитического конденсатора.

Микросхемы семейства LinkSwitch-PH могут быть настроены для работы как в режиме с затемнением, так и в режиме без затемнения. Для применения в связке с симисторным диммером используется резистор R4 на выводе REFERENCE и связка резисторов R2+R3 4 МОм на выводе VOLTAGE MONITOR для обеспечения линейного соотношения между входным напряжением и выходным током и максимального расширения диапазона затемнения.

Режим работы без разрыва тока основного дросселя обладает двумя ключевыми достоинствами: сниженным уровнем потерь на проводимость (следовательно, выше КПД) и меньшим уровнем ЭМИ (следовательно, для соответствия стандарту по ЭМИ требуется фильтр меньших размеров). Один X-конденсатор может быть исключен и использован дроссель меньшего типоразмера (либо также исключен). Встроенная в семейство микросхем LinkSwitch-PH функция джиттера основной частоты переключения MOSFET-ключа еще более снижает необходимость в фильтрующих компонентах. Меньший входной ЭМИ-фильтр представляет собой меньшее реактивное сопротивление для диммера, что, соответственно, уменьшает уровень «звона». Стабильность еще больше увеличена благодаря тому, что питание микросхем LinkSwitch-PH осуществляется от собственного внутреннего источника опорного напряжения. Добавление демпфера для работы с диммерами и цепи деления напряжения обеспечивает надежную работу без эффекта мерцания в максимально широком диапазоне затемнения.

Вышеописанный источник питания для светодиодного светильника полностью совместим с существующими симисторными диммерами в очень широком диапазоне затемнения (1000–1, 500–0,5 мA), обладает КПД >85% и коэффициентом мощности >0,9. Он наглядно показывает, что проблемы несовместимости светодиодных светильников и симисторных диммеров могут быть преодолены и, как результат, может быть построен простой драйвер для недорогой и надежной светодиодной лампы с функцией затемнения.
 

Bill Weiss (Билл Вейс) | Перевод: Геннадий Бандура