LED-драйверы MEAN WELL: от промышленных цехов до магистралей

16 марта

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

От правильного выбора LED-драйвера зависит не только яркость и стабильность освещения, но и срок службы светильника, особенно в сложных условиях промышленных объектов или открытых пространств. Компания MEAN WELL выпускает решения с различными характеристиками и режимами работы (CC, CV и CP) для разных типов светодиодных модулей.

Проектирование систем освещения требует от разработчика решения множества задач, главной из которых является уровень освещенности. Его значение зависит от области применения, например, помещения предприятий требуют уровня света, зависящего от характеристики зрительной работы (способности человека различать объекты размером <0,15…<5 мм) и показателя дискомфорта. Освещенность падает из-за загрязнения светильника (это учитывается как коэффициент эксплуатации ME – Maintenance Factor – и количество чисток светильника). Таким образом, разработчику необходимо найти баланс между экономичностью, удобством эксплуатации и требуемым уровнем освещенности.

Освещение разделяется на рабочее, аварийное, охранное и дежурное, притом часть рабочих или аварийных светильников может использоваться в качестве дежурных. Каждый тип освещения дополнительно подразделяется на несколько видов с индивидуальными требованиями. В полностью автоматизированном производстве применяется основное освещение для наблюдения за оборудованием и дополнительное – при ремонтно-наладочных работах. Это означает, что в список задач входит и управление такими комбинированными системами, включая изменение яркости.

Наружное освещение также разделяется на несколько видов: архитектурное, подсветка дорог и улиц, территорий предприятий и так далее. Оно также имеет свои специфичные задачи.

Помимо уровня и качества освещенности (частоты пульсаций, излучения ультрафиолетового и синего спектров и так далее), необходимо решить и стандартные задачи, такие как охлаждение (светодиодные системы излучают в тепло около 70% мощности, и лишь около 30% – в свет), работа в сложных условиях внешней среды и/или на взрывоопасных объектах, уровень собственных излучаемых электромагнитных помех, стойкость к чужим и так далее.

Все вышеописанные задачи, в том числе выбор устройства управления светодиодами (LED-драйвера), достаточно сильно связаны: решение любой одной влияет на остальные. Кроме того, могут существовать различные сторонние факторы, которые изначально сужают варианты решений, например, наличие на складе уже готовых компонентов делает экономически нежелательной покупку новых. Забегая вперед, отметим, что у компании MEAN WELL есть решения и для таких ситуаций.

Из-за связанности задач разработчик должен иметь максимально полное представление о доступных ему решениях, поэтому далее будут представлены варианты LED-драйверов для промышленных и уличных светильников. Тем, кто впервые сталкивается с системами светодиодного освещения, вначале предлагается небольшой экскурс в их основные особенности. Имеющие опыт могут сразу перейти к разделу «Решения от MEAN WELL».

Режимы работы светодиодов и виды светоизлучающих модулей

Светодиод (LED) – это полупроводниковый светоизлучающий прибор, в котором при протекании прямого тока через p-n-переход испускаются фотоны определенной области спектра – от ультрафиолетовой до инфракрасной. Белое свечение мощных осветительных светодиодов достигается за счет покрытия кристалла синего света специальным люминофором (именно поэтому в спектре белых светодиодов есть всплеск около 450 нм). Эта технология позволяет создавать различные варианты излучающих компонентов: с одним кристаллом или с множеством на одной подложке и общим люминофорным покрытием. Из таких компонентов создаются светодиодные модули различных форм (рисунок 1).

В модуле могут присутствовать дополнительные электронные компоненты, а также радиаторы охлаждения и линзы. Существует ряд организаций, таких как Zhaga Consortium, IEC и DALI Alliance, которые стандартизируют подобные модули и управление ими.

Рис. 1. Единичный SMD-светодиод, CoB (несколько кристаллов с общими подложкой и люминофором) и панель из 208 светодиодов производства компании Аргос-Электрон

Когда для требуемой освещенности одного модуля недостаточно, несколько могут соединяться последовательно и/или параллельно. Выбор схемы соединения определяется как требованием к лучшей стабильности тока светодиодов в каждом модуле, так и возможностями драйвера.

При выборе светоизлучающих узлов, режима управления и параметров драйвера необходимо учитывать следующие свойства светодиода:

• вольт-амперная характеристика (ВАХ) светодиодов аналогична классическим диодам (рисунок 2) и обладает нелинейным (экспоненциальным, согласно уравнению Шокли) характером;
• прямое напряжение (V_f) имеет отрицательную температурную зависимость, для мощного осветительного светодиода оно составляет около -2…-1 мВ/°C;
• технология изготовления не позволяет получить абсолютно одинаковое значение V_f для всех светодиодов, производитель указывает группы Bin, где разброс значения V_f минимален (±0,1 В);
• световой поток прямо пропорционален прямому току (в рабочем диапазоне);
• значительный ток и нагрев вызывают существенное снижение эффективности и ускоренную деградацию светодиода;
• паразитная емкость перехода при регулировке яркости с помощью ШИМ (широтно-импульсной модуляции) на высокой частоте может вызвать электромагнитные помехи (ЭМП);
• превышение обратного напряжения вызывает пробой и разрушение кристалла;
• свечение люминофора имеет характеристику цветовой температуры (различные уровни теплого, нейтрального и холодного оттенков), это не влияет на конструкцию и выбор драйвера, но определяет область применения светильника.

Рис. 2. График ВАХ светодиода

Экспоненциальность ВАХ легко увидеть на графике, изображенном на рисунке 2: небольшая разница напряжений U₁…U₂ вызывает значительное изменение тока I₁…I₂. Эта зависимость будет расти с увеличением напряжения, и в практическом применении такое поведение имеет громадное значение: любое колебание напряжения, связанное с источником питания (ИП), плохим контактом, изменением температуры или иной причиной, способно вызвать значительное изменение тока и нежелательные последствия.

Поэтому нормальные условия работы светодиода – режим стабилизации тока (CC, Constant Current) и достаточное охлаждение. В этом случае светодиод демонстрирует отличные показатели по сроку службы (25…50 тысяч часов и более – до снижения светового потока на 30%) и надежности. Однако компания MEAN WELL предлагает LED-драйверы и с другими режимами: стабилизации напряжения (CV, Constant Voltage), стабилизации мощности (CP, Constant Power) и совмещенным (CC + CV). Далее рассмотрим, в каких случаях допустимо или предпочтительно использовать каждый из них.

Особенности работа LED-драйверов в режимах CC, CV, CC + CV и CP

Правильно выбранный драйвер соответствует нескольким основным критериям. Его выходное напряжение должно быть не менее суммы V_f всех последовательно соединенных светодиодов (примеры таких соединений будут показаны далее) с учетом температурной нестабильности. Для длинной цепочки и в условиях значительного перепада температур, что является обычным для наружных условий, изменение V_f светодиодного модуля может оказаться в пределах нескольких В и повлиять на выбор модели драйвера. Для достижения наибольшей эффективности работы целесообразно выбирать модель с выходным напряжением, превышающим суммарное V_f на 5…15% (рисунок 3).

Рис. 3. Изменение крутизны эффективности драйвера HLG-150-48 при различных нагрузках и уменьшении V_f

Некоторые серии драйверов обладают функцией адаптации к окружающей среде (Environment Adaptive Function, рисунок 4), которая компенсирует температурные колебания.

Рис. 4. Работа HLG-480H-C с режимом CC и функцией адаптации к окружающей среде

Следующий критерий – номинальный ток драйвера – должен соответствовать сумме токов каждой параллельной цепи светодиодных модулей. Чтобы понимать, что важнее для определенного светоизлучающего модуля, необходимо помнить о ключевых различиях в их конструкциях и режимах работы.

Стабилизация напряжения – самый востребованный и популярный режим работы источников питания. Однако, как уже говорилось выше, он не подходит для работы светодиода. Возникает вопрос: зачем компания MEAN WELL предлагает драйверы с таким режимом (например, серию ERP мощностью 200, 350 и 400 Вт)? Дело в том, что светоизлучающие модули исполняются в трех основных вариантах, и для двух из них этот режим допускается.

Самое популярное, недорогое и эффективное решение – последовательное соединение светодиодов и параллельное соединение таких цепочек (рисунок 5). Например, показанная на рисунке 1 панель из 208 светодиодов содержит 8 цепочек по 26 светодиодов в каждой. Применение режима CV здесь недопустимо, поскольку, как уже было отмечено, любое изменение напряжения экспоненциально отобразится на токе светодиода. 

Рис. 5. Простое последовательно-параллельное соединение светодиодов

Недостатками такого светодиодного модуля являются неравномерный ток для каждой параллельной ветви, из-за чего у цепочек может быть различная яркость и несколько меньший срок службы светодиодов. Автоматизированный подбор светодиодов таким образом, чтобы суммы V_f каждой цепи были одинаковыми, минимизирует разность тока в цепях. Использование изделий из одной партии и обеспечение им одинаковых условий работы уменьшает вероятность выхода из строя одного из них, что тоже могло бы привести к разбалансу тока.

Использование резисторов как токозадающих компонентов для каждой цепочки (рисунок 6) позволяет их использование с достаточно большим различием V_f, и здесь допустимо применение драйвера с режимом CV. Такой метод используют светодиодные ленты и небольшие модули.

Рис. 6. Подключение с индивидуальным резистором каждой цепочки

Светодиодный модуль с резисторами в цепочках имеет незначительно большую стоимость и самую худшую эффективность из-за потерь мощности на резисторе.

Применение интегральных драйверов, задающих ток для каждой цепочки (рисунок 7), тоже позволяет использовать основной источник питания с режимом CV. Такой модуль обладает несколько меньшей эффективностью из-за потерь в драйверах, возможностью возникновения проблемы, связанной с увеличением уровня ЭМП и самой высокой стоимостью. Однако здесь будет самый идеальный режим тока в каждой цепи, что положительно скажется на сроке службы светодиодов.

Рис. 7. Подключение с дополнительными интегральными драйверами

Если допускается режим стабилизации напряжения, то почему следует использовать именно LED-драйверы, а не любой источник питания с подходящей мощностью? Дело в том, что драйвер осветительного оборудования должен соответствовать классу С по электромагнитной совместимости (согласно IEC 61000-3-2), а обычные ИП могут иметь другой класс. Кроме того, некоторые серии LED-драйверов с режимом CV имеют возможность интеграции в систему управления с интерфейсом DALI и ряд иных особенностей, специфичных для систем освещения. Закончить сравнение обычных ИП и LED-драйверов можно конструктивной особенностью: у моделей LED-драйверов производства MEAN WELL, даже очень большой мощности, отсутствует вентилятор охлаждения.

Режим стабилизации тока обеспечивает его постоянное значение в пределах некоторого диапазона выходного напряжения. График работы драйвера в режиме CC схож с комбинированным вариантом CV + CC (рисунок 8). Примерно до 95% значения номинального выходного тока устройство работает как обычный ИП со стабилизацией выходного напряжения, затем переходит в режим стабилизации выходного тока. При падении напряжения до 50% номинального значения срабатывает защитный механизм с периодическим восстановлением («иканием»). Это означает, что сумма V_f светодиодов в последовательной цепочке должна превышать 50% номинального выходного напряжения.

Рис. 8. Выходные параметры LED-драйвера с режимом работы CV + CC

Наиболее интересный режим работы драйверов – стабилизация мощности. В отличие от обычных режимов, где графики работы представлены линией, CP представляет собой некую область эффективной работы (рисунок 9), которая справа ограничена максимально возможной мощностью, а слева – примерно в 2 раза меньшей.

Рис. 9. Область работы LED-драйвера XLG-75-H с режимом CP

Пояснить особенность режима CP проще в сравнении с режимом CC. Предположим, для изготовления ряда светильников мощностью 75 Вт используется драйвер серии ELG-75-C700 (режим CC) со встроенным потенциометром регулировки выходного тока и максимальным стабилизированным током 700 мА при напряжении 53…107 В, а также драйвер серии XLG-75 (режим CP) с такими же базовыми характеристиками.

Используя оба драйвера, можно построить светильники c максимальной мощностью при токе светоизлучающего узла 700 мА. Но если конструкция какой-то модели светильника потребует большего значения тока, например, 1050 мА, то в случае с серией ELG придется взять другую модель, например, ELG-75-C1050, при этом выходное напряжение будет в диапазоне 35…71 В, либо ELG-100-C1050, где диапазон напряжения ближе к первоначальному. Но это уже другая группа мощности, поэтому габариты корпуса и вес, скорее всего, будут иные. То есть, помимо конструкционных, появляются организационные и финансовые задачи.

В случае с XLG-75 гарантируется именно мощность. То есть с теми же пределами напряжений диапазон регулировки тока значительно шире: до тех самых 1050 мА (минимальное значение у обоих драйверов одинаково – 350 мА). Получается, что использование XLG-100 позволяет получить большую гибкость при изготовлении различных моделей светильников, когда меняется конструкция светоизлучающего узла. Вероятность закупки новых LED-драйверов и долгая реализация старых уменьшается.

Решения от MEAN WELL

В номенклатуре MEAN WELL присутствует более 30 серий решений для питания систем освещения. Каждая из них может содержать множество групп различной мощности, а каждая группа – несколько моделей, различающихся выходными параметрами и дополнительной функциональностью. Эта иерархия отражается в наименовании драйвера (рисунок 10).

Рис. 10. Расшифровка наименования драйверов MEAN WELL

Помимо выходных параметров, от LED-драйвера требуется соответствие множеству других характеристик, касающихся условий эксплуатации. Для каждой серии источников питания компания MEAN WELL рекомендует определенную область применения. Для более удобного выбора серий, наиболее подходящих под определенные задачи, эти области собраны в таблице 1. Данные приведены без учета мощности, то есть рекомендуемая область применения может принадлежать лишь определенной группе мощности, а не всем.

Таблица 1. Соответствие серий LED-драйверов MEAN WELL различным областям применения

В таблицах 2 и 3 приведены доступные группы мощности и дополнительные функции для серий драйверов MEAN WELL в металлическом и пластиковом корпусах. Температура эксплуатации серии XLN составляет -25…90°C, остальным сериям соответствуют значения -40…80/85/90°C. Класс защиты корпуса зависит от наличия дополнительного функционала: без потенциометров, клемм и прочего, что мешает герметичной заливке компаундом – IP67. Встроенные потенциометры регулировки выходных напряжения и/или тока понижают класс до IP65. Существуют и исключения, например, специальная конструкция серия XBG с опцией AB (наличие потенциометра) позволяет соответствовать уровню IP67.

Драйверы с распределительной коробкой (опция BL) производятся с классом защиты IP66. Для исполнения с клеммным подключением проводов (опция C) класс защиты не определен.

Полная расшифровка всех обозначений дополнительных функций в таблицах 2 и 3:

• A – настройка выходного тока встроенным потенциометром (в некоторых сериях символ, указанный первым после мощности в наименовании, может означать наличие дополнительного выхода 12 В, например, HVG-650A-2800-AB);
• B или V – регулировка яркости «3 в 1» (посредством напряжения 1…10 В DC, ШИМ 10 В или переменного резистора);
• AB – опции A и B;
• ABV – A, B и настройка выходного напряжения с помощью встроенного потенциометра;
• DA, DA2 – интерфейс DALI или DALI-2;
• ADA – A и DA;
• D, Dx, D2 – встроенный таймер различной функциональности;
• С – вход и выход в виде клеммных блоков, настройка выходных напряжения и тока встроенными потенциометрами;
• BL – опция B с распределительной коробкой;
• BE – дополнительный выход 12 В;
• H – настройка выходного тока через NFC.

Некоторые опции для различных моделей могут быть доступны лишь по запросу, а также могут быть указаны в маркировке вне их стандартного поля, например, как H на рисунке 10.

Таблица 2. LED-драйверы MEAN WELL в металлическом корпусе для наружного и промышленного применения

Таблица 3. LED-драйверы MEAN WELL в пластиковом корпусе для наружного и промышленного применения

На все драйверы, за исключением серий HLG и HLG-C, компания MEAN WELL устанавливает гарантийный срок 5 лет. Гарантия на HLG и HLG-C составляет 7 лет.

Отдельного рассмотрения заслуживают серии XBG и HBG. В отличие от остальных драйверов с классическими прямоугольными удлиненными форм-факторами, эти серии выполнены в корпусе цилиндрической формы с достаточной прочностью, чтобы применяться в качестве части несущей конструкции светильника (рисунок 11).

Рис. 11. LED-драйвер серии XBG и вариант светильника

При выборе модели из серии HBG необходимо помнить, что варианты с наименованием HBG-xx-P не имеют корпуса и представляют собой открытую печатную плату круглой формы с установленными компонентами, а корпус модели HBG-60 выполнен из пластика.

Номенклатура MEAN WELL включает в себя драйверы для различных областей применения – от базовых до работающих в экстремальных условиях. Ассортимент позволяет подобрать решение, соответствующее требованиям проекта, без необходимости разработки собственного LED-драйвера.

Дополнительные материалы

1. СП 52.13330.2016 «Естественное и искусственное освещение»
2. LED-драйверы MEAN WELL: ELG против XLG, Сергей Миронов
3. MEAN WELL. Руководство по выбору
4. MEAN WELL. Часто задаваемые вопросы
5. Zhaga Consortium