Как выбрать программируемый LED-драйвер и использовать его новые возможности

12 апреля 2017

Плавное нарастание и снижение уровня тока, возможность работы со светодиодами разных производителей и с разным биннингом, программирование димминга по времени без прокладки отдельной шины управления, обеспечение стабильного светового потока по мере вырабатывания ресурса светодиодов, высокая степень защиты IP67 – все это особенности программируемых LED-драйверов производства компаний MEAN WELL и Inventronics.

При разработке светодиодного светильника инженеру приходится решать ряд задач, связанных с обеспечением требуемых светотехнических показателей, электромагнитной совместимости, теплового режима. При этом важно не забыть о доступности выбираемых комплектующих на рынке электронных компонентов. Кроме того, следует принимать во внимание экономические и технологические аспекты. Решая эти задачи, разработчик должен определить производителя и тип светодиода, а также производителя и тип вторичной оптики, рассчитать требуемое количество светодиодов. При расчете количества светодиодов необходимо подстраиваться под некое «стандартное» значение тока имеющихся на рынке блоков питания. Выбирая светодиоды, следует учитывать биннинг и его диапазон, дополнительные потери, возникающие во вторичной оптике и при нагреве светодиодного модуля. Схема включения полученного массива светодиодов должна быть такой, чтобы через светодиоды протекал заданный ток, и этот ток соответствовал бы току имеющегося или предполагаемого к применению блока питания. Получается, что разработчик, а в дальнейшем и производитель, привязаны к выбранным компонентам и их наличию на складах поставщиков в нужный момент времени. А одним из основных компонентов, на параметрах которого основан этот выбор, является источник питания или LED-драйвер.

Ситуация на рынке меняется быстро, а иногда и неожиданно. То, что было выгодно вчера, может быть невыгодно уже сегодня. В российских реалиях зачастую приходится изготавливать изделия в авральном режиме и при этом у поставщика может не оказаться требуемых компонентов. С другой стороны, на рынке всегда присутствует широкий выбор комплектующих как именитых, так и не очень известных производителей, и их продукция в данный момент времени может оказаться в наличии. Производители постоянно изменяют продуктовые линейки, улучшают параметры и/или снижают стоимость. Некоторые производители светодиодов даже имеют унифицированные типоразмеры корпусов, например, 3535 (тип XT-E производства компании Cree и похожие на них). Мы уже пришли к тому, что светодиоды и даже вторичную оптику разных производителей можно применять на конкретной печатной плате, не переделывая ее. Конечно, смена типа или производителя светодиода приведет к некоторым светотехническим изменениям (у компонентов разных производителей – различный биннинг и эффективность), но эти изменения можно было бы скомпенсировать, изменив ток блока питания. Однако если был выбран нерегулируемый блок питания, это становится невозможным. Смена имеющегося блока питания потребует проведения новых сертификационных испытаний светильника. Кроме того, нет гарантии, что эти испытания будут выдержаны.

Часто получается так, что выходной ток блока питания изменить нужно совсем немного, буквально в пределах 10…20%. В этом случае невозможна и замена блока, потому что шаг выходного тока даже в пределах одной серии существенно больше и имеет стандартное значение, а нам требуется некоторое промежуточное.

Итак, выбранный ранее на этапе разработки блок питания в будущем может оказаться сдерживающим элементом и не позволит при необходимости заменить некоторые отдельные компоненты светильника или его параметры.

Мы знаем, что есть блоки питания с возможностью подстройки, которые можно было бы выбрать еще на этапе разработки. Существует три варианта таких блоков, но насколько они удобны?

Наиболее распространены блоки питания с подстройкой внутренним потенциометром. Однако при их применении увеличивается сложность сборки светильника, поскольку требуется настройка с использованием измерительного прибора. К тому же, такие блоки питания принципиально не могут иметь степень защиты от внешних воздействующих факторов выше, чем IP65 (из-за доступа к потенциометру).

Источники питания с изменением тока посредством DIP-переключателей имеют дискретный шаг регулировки, который может не устроить разработчика. Опять же, из-за наличия подобных переключателей и необходимости доступа к ним подобные блоки применимы только внутри помещений, и для наружного освещения не подходят.

К третьему типу источников питания с подстройкой можно отнести блоки питания с функцией димминга «3-в-1» (ШИМ, 0…10 В, сопротивление). Подключением постоянного резистора ко входу управления можно понизить выходной ток до нужной нам величины (одновременно снизится и выходная мощность). При этом возможна степень защиты IP67. В целом это – неплохой вариант. Однако такая возможность димминга сопротивлением есть далеко не во всех источниках питания. Также функция димминга означает повышение стоимости изделия, а использоваться эта функция будет достаточно ограничено.

Таким образом, среди имеющихся способов подстройки выходных параметров источника питания нет идеального варианта.

В настоящее время на рынке LED-драйверов появился еще один класс источников питания – программируемые, которые наряду с возможностью изменения выходного тока предоставляют целый спектр дополнительных свойств и полезных функций, а также лишены некоторых недостатков, упомянутых выше.

Программируемые драйверы имеются в линейке продукции таких компаний как MEAN WELL (семейство ELG) и Inventronics (семейства EUD, EUG, EBD) (рисунок 1). Использование указанного класса драйверов в светильниках позволяет осуществить следующие функции:

• изменение выходного тока в диапазоне 10…100% без снижения степени защиты от внешних воздействующих факторов. Степень защиты остается на уровне IP67;
• плавное нарастание тока через светодиоды при включении светильника. Это благоприятно сказывается на надежности светодиодного модуля, особенно в зимний период;
• возможность плавного нарастания/снижения между запрограммированными уровнями тока (плавное изменение освещенности);
• компенсация «старения» светодиодов. Можно изготовить светильник с постоянным световым потоком в течение всего срока службы;
• принудительное включение в нужный момент времени светильника, работающего в режиме димминга по времени, на максимальную яркость (только MEAN WELL);
• сигнализация о выработке ресурса светильника (только MEAN WELL);
• программирование требуемых параметров внешней температурной защиты светодиодного модуля или светильника в целом, по достижении которых произойдет уменьшение выходного тока (только Inventronics);
• программирование пользователем различных профилей фиксированного и адаптивного димминга по времени (до 5 уровней тока): пропорциональный режим и режим по средней точке.

а)	б)
Рис. 1. Программируемые LED-драйверы: а) Inventronics; б) MEAN WELL

Рассмотрим подробнее некоторые из указанных выше функций.

Компенсация старения светодиодов

Светодиоды очень долговечны (50…100 тыс. часов). Принято считать окончанием ресурса работы снижение светового потока на 30%. В процессе эксплуатации световой поток светильника медленно понижается. Этот факт можно изначально учесть при программировании LED-драйвера и задать начальный ток через светодиоды более низким, например, на 20%, но повышающимся к концу срока службы до 100% (рисунок 2). Конечно, при этом следует учесть повышение потребляемой мощности светильника к концу срока службы.

Рис. 2. Скриншот интерфейса ПО от Inventronics и MEAN WELL в режиме компенсации старения светодиодов

Димминг по времени

Функция димминга очень востребована в освещении. Особенно интересна она в наружном освещении, поскольку позволяет оптимально расходовать электроэнергию. Тем более, действующий ГОСТ Р 55706-2013 «Освещение наружное утилитарное. Классификация и нормы» допускает снижение освещенности в ночное время (до 30% и до 50%) на улицах, площадях и придомовых территориях в зависимости от интенсивности движения.

Реализация возможности димирования наружного освещения требует существенных затрат. В светильниках необходимо применять только диммируемые блоки питания, и, как минимум требуется проложить линию управления этими светильниками. Используя программируемые источники питания, можно реализовать димминг без прокладки дополнительной линии управления и дополнительного контроллера, что значительно снизит общую стоимость системы освещения. Подобные блоки питания позволяют запрограммировать различные значения выходного тока в зависимости от начала времени работы светильника (рисунок 3).

Рис. 3. Возможный профиль выходного тока при диммировании по времени (Inventronics, MEAN WELL)

Когда мы рассматриваем димминг по времени (фиксированный и адаптивные режимы), то важно понимать, что светильник сам не включается и не выключается. Включение и выключение осуществляется оператором в ручном режиме или по сигналу датчика в автоматическом режиме. Выполнение программы димминга происходит всегда с самого начала и при каждом включении.

Из рисунка 3 видно, что профиль димминга LED-драйверов производства компании Inventronics можно запрограммировать на период до 19 часов (у компании MEAN WELL в режиме фиксированного профиля – до 24 часов). Однако это не говорит о том, что через 19 часов работы светильник выключится. Светильник сам выключиться не может. Просто именно в этом промежутке можно менять выходной ток. После 19 часов работы и до момента принудительного выключения источник питания будет продолжать работать в том же режиме, в каком он работал перед окончанием периода программирования. Если не брать реалии севера, где ночь и день длятся по полгода, то для всей остальной части России данного промежутка времени (19 часов) вполне достаточно. Если же нет, то можно организовать кратковременное выключение/включение светильника по внешнему таймеру, чтобы суточный отсчет начался снова.

Наличие функции димминга по времени у компаний Inventronics и MEAN WELL носят названия “Timed dimming” и “Smart Timer Dimming”, соответственно. По функционалу и возможностям в части фиксированного и адаптивного димминга они очень схожи между собой и работают по схожему алгоритму, но есть некоторые отличия в общих возможностях.

Фиксированный димминг подразумевает, что источник питания всегда работает строго по запрограммированному профилю. Это было бы хорошо, если бы не сезонные изменения освещенности. Например, если мы запрограммируем первое снижение освещенности через 4 часа после начала работы, что соответст­вует примерно 01:00 в летний период (при условии, что включение происходит в 22:00), то в зимний период это будет соответствовать 21:00 (включение в 17:00), а в это время на улицах – интенсивное движение. Из-за сезонных изменений освещенности фиксированный режим димминга в наружном освещении использовать практически невозможно.

Более интересный и имеющий возможность практической реализации вариант – это использование адаптивного, то есть подстраивающегося к сезонным изменениям освещенности, димминга.

У обоих рассматриваемых производителей в программируемых источниках питания имеется два режима адаптивного димминга: принцип пропорциональности и самоподстройка по средней точке. При программировании источника питания интерфейс программы позволяет сделать выбор между любыми вариантами димминга.

Адаптивный димминг: принцип пропорциональности

Принцип пропорциональности обеспечивает пропорциональное изменение каждого участка запрограммированного профиля в соответствии с увеличением или уменьшением общего времени работы светильника. Предположим, что мы запрограммировали источник питания для работы в осенне-зимний период времени по профилю, показанному на рисунке 4а. Общее время работы составляет 15 часов в сутки. Здесь и далее по тексту вид профиля выбран условно.

Рис. 4. Профиль источника питания: а) запрограммированный для осенне-зимнего периода; б) перестроенный для летнего периода

При приближении к летнему периоду общее время работы светильника уменьшается. Например, включение и выключение происходит по датчику освещенности. Микроконтроллер источника питания анализирует время работы и определяет, что время нахождения источника во включенном состоянии уменьшилось. Тогда при последующем включении (на следующий день) происходит перестройка запрограммированного профиля пропорционально изменению времени работы источника.

Допустим, летом оказалось, что источник питания работает уже не 15 часов, а всего 9. Тогда его профиль перестроится и будет иметь промежутки времени, показанные на рисунке 4б. Из рисунка видно, что длительность каждого промежутка сократилась пропорционально сокращению общего времени с коэффициентом пропорциональности 9/15.

При программировании мы выбрали, что первое снижение тока должно происходить в 00:00 часов, а после перестройки это будет происходить в 00 часов 35 минут. Неточность в 35 минут вполне допустима, поскольку мы рассмотрели граничные случаи (лето-зима).

Для понимания алгоритма перестройки профиля в источниках питания производителя MEAN WELL можно обратиться к рисунку 5.

Рис. 5. Алгоритм определения среднего времени работы (MEAN WELL)

За базовый период отсчета принимается семь рабочих дней, причем самый длинный и самый короткий периоды работы игнорируются. По оставшимся пяти дням рассчитывается среднее время работы, и если это среднее время отличается от предыдущего результата более чем на 15 минут, источник питания перестраивает свой профиль пропорционально произошедшему изменению.

Адаптивный димминг: самоподстройка по средней точке

Рис. 6. Адаптивный димминг по средней точке: а) в зимний период; б) в летний период

Достаточно точного результата перестройки профиля источника питания можно добиться в режиме подстройки по средней точке. В качестве средней точки можно выбрать полночь (00:00). Допустим, мы выбрали в зимний период профиль диммирования, показанный на рисунке 6а. Общее время работы составляет 16 часов в сутки (8 + 8 часов относительно средней точки). Первое снижение тока будет в 23:00, а второе – в полночь (00:00). Пусть в летний период общее время работы источника составит 8 часов, тогда источник питания перестроит свой профиль относительно выбранной точки (полночь) таким образом, чтобы эта точка осталась в середине его цикла работы (4 + 4 часа). В этом случае мы видим, что у нас сохранилось время первого снижения тока (23:00) и время второго снижения тока (00:00). В результате получилось, что источник питания просто «обрезал» время в начале и в конце своего цикла в соответствии с изменением сезонной освещенности.

Мы видим, что этот алгоритм наиболее удобен, наилучшим образом поддерживает запрограммированный профиль в зависимости от сезонных изменений освещенности, и его можно применять для диммирования наружного освещения.

Программируемые LED-драйверы

Компания MEAN WELL внедрила функционал программирования в популярное семейство источников питания ELG (рисунок 1). Модели с возможностью программирования имеют в конце наименования суффикс D2, например ELG-100-C700D2 (100 Вт, 700 мА, программируемый). Линейка продукции включает в себя как серии со стабилизацией по току (СС), так и серии с двойным режимом стабилизации (CV + CC) в диапазоне мощности 75…240 Вт. Основные параметры семейства ELG указаны в таблице 1.

Таблица 1. Основные параметры программируемых источников питания

Особенностью рассматриваемого семейства является невысокая стоимость, сравнимая со стоимостью продукции российских производителей, и длительный срок гарантии – 5 лет. Следует учесть, что российские производители пока не имеют в линейке своей продукции программируемых драйверов, и говоря о стоимости, мы подразумеваем сравнение моделей без функции программирования. Функция программирования предполагает рост стоимости по сравнению с непрограммируемыми моделями примерно на 15…20% в зависимости от выходной мощности источника.

При программировании можно изменять выходной ток в диапазоне 10…100%. При уменьшении выходного тока будет уменьшаться и выходная мощность. Известно, что с уменьшением мощности ухудшается значение коэффициента коррекции мощности и КПД. В рассматриваемом семействе при уменьшении выходной мощности на 50% коэффициент коррекции мощности остается на уровне 0,95, что является отличным показателем. Реальное ухудшение этого коэффициента было замечено при снижении выходной мощности до уровня 30% от номинального значения, иначе говоря, если источник 100 Вт работает при нагрузке в 30 Вт. Поэтому при эксплуатации этого семейства следует рассчитывать на его использование в диапазоне выходной мощности 100…50%. В таком диапазоне изменения выходной мощности КПД меняется в пределах 2…3%, например, с 91% она понизится до 89%.

Линейка программируемых LED-драйверов компании Inventronics состоит из трех семейств (таблица 1). Они различаются по техническим возможностям и стоимости. Например, семейство EUD имеет самый широкий набор серий в диапазоне мощности 75…600 Вт и полный функционал программирования. Под полным функционалом подразумевается, что к возможности изменения выходного тока и фиксированному профилю димминга добавляются возможности адаптивного димминга, компенсация старения светодиодов и программирование внешней температурной защиты. Семейство источников питания EUD имеет максимальный функционал по программированию/диммированию. Оно представлено наибольшим количеством моделей в диапазоне мощности 75…600 Вт.

Семейства EUG и EBD по функционалу программирования и диммирования схожи между собой, и основное отличие заключается в том, что модели семейства EBD предназначены для работы только в сетях с напряжением 230/240 В, поэтому их стоимость – ниже, чем у представителей семейства EUG, имеющих универсальный вход.

Из таблицы 1 видно, что если необходим программируемый источник с возможностью адаптивного диммирования, выбор ограничен семейством EUD, а если нужен источник лишь с возможностью перепрограммирования выходного тока, то оптимально остановиться на семействе EBD.

Рис. 7. Область выходных параметров источника питания Inventronics EUD-075S105DV

Важной особенностью программируемых LED-драйверов производства компании Inventronics является то, что при уменьшении выходного тока выходная мощность не уменьшается. Данные источники питания при изменении выходного тока работают на полной выходной мощности! На рисунке 7 показано, как это происходит.

Для примера на рисунке 7 показана область выходных параметров модели EUD-075S105DV (75 Вт, 700…1050 мА, программируемый). На графике имеется несколько зон. Зона, выделенная пунктиром, показывает возможное сочетание выходных параметров, при котором источник питания может работать (правда, с допустимыми ухудшениями каких-либо параметров). Эта зона ограничена снизу током/напряжением 70 мА/107 В, а сверху – током/напряжением 1050 мА/71 В. Для данного источника допустимый диапазон тока составляет 70…1050 мА. Запрограммировать его можно на любое сочетание тока и напряжения из этой области.

В зоне, выделенной на рисунке 7 синим цветом, источник питания работает без ухудшения параметров. Внутри ее границ сочетаются выходные параметры, при которых незначительно меняются коэффициент коррекции мощности и эффективность. Эта зона ограничена мощностью 45…75 Вт (допустимое снижение выходной мощности до 60% от номинала).

Верхняя дуга синего цвета на рисунке 7 показывает сочетание выходных параметров при постоянной выходной мощности. Эта зона ограничена сочетаниями тока/напряжения 700 мА/107 В и 1050 мА/42,5 В, то есть при изменении тока от 1050 мА до 700 мА выходная мощность источника питания не меняется.

Источник питания с подобным поведением удобен, когда на предприятии используются светодиоды различных производителей и выпускается широкая линейка светильников. В этом случае, имея всего лишь одну модель источника питания, можно подобрать его параметры под конкретную модель. Такой подход сокращает количество сертификационных испытаний и упрощает управление складом.

Заключение: какие же возможности нам предоставляют программируемые LED-драйверы?

При использовании программируемых LED-драйверов мы уже не привязаны к конкретному значению тока, а степень защиты может достигать IP67. Мы можем:

• снять зависимость светового потока светильника от биннинга светодиодов (в определенной степени);
• оперативно изменять линейку светильников и использовать оптимальные в настоящий момент времени компоненты;
• обеспечить управление освещением (димминг по времени) без прокладки дополнительной линии управления;
• производить светильники со стабильным световым потоком в течение всего срока службы;
• сократить количество моделей источников питания на собственном складе при широкой номенклатуре выпускаемых светильников;
• упростить технологичность и уменьшить количество испытаний на ЭМС.

Для работы с программируемыми LED-драйверами требуется иметь компьютер, графический пользовательский интерфейс (GUI) или просто программу и программатор. Где это можно взять и как с этим работать, мы подробно расскажем в последующих номерах журнала.

Модели программируемых LED-драйверов, имеющихся в наличии на складе, можно посмотреть по ссылке.