Особенности питания светодиодов: гальваническая развязка, ККМ и многое другое

14 июня 2011

При разработке светодиодного светильника разработчику приходится решать комплекс различных задач, часто противоречивых, связанных с получением необходимого светового потока, формированием требуемой кривой силы света (КСС), обеспечением теплового режима, обеспечением требований по электромагнитной совместимости, электробезопасности и т.п. Критерием выбора того или иного решения, как правило, является отношение цена/качество.

Практически все основные характеристики светильника зависят от источника питания (ИП). Рассмотрим некоторые из них.

Светотехнические. В первую очередь определяются источником света — светодиодом, но также будут зависеть от того, какой ток пойдет через источник света: будет ли он пульсировать или меняться в каких-либо пределах по тем или иным причинам. От этого будут зависеть световой поток, пульсации светового потока и цветовая температура светодиода, а следовательно — и светильника. Значением и качеством выходного тока источник питания оказывает непосредственное влияние на большинство светотехнических характеристик.

Надежность. В настоящее время технология изготовления светодиодов достигла такого уровня, что производители светодиодов указывают срок службы до 100000 часов (при определенных условиях). Источник питания, который разрабатывается для светодиодного светильника, должен иметь аналогичную надежность для соответствия заявленному сроку службы.

Энергоэффективность. Светодиоды относятся к энергосберегающим технологиям. При этом полупроводниковое освещение имеет пока что достаточно высокую потребительскую стоимость. Экономя на преобразовании электроэнергии, используя источники питания с более высоким КПД, можно повысить общую эффективность системы и снизить тем самым «стоимость света».

Электробезопасность. Источник питания является первичным и единственным устройством, которое подключается к сети 220 В/50 Гц. От того, как он будет выполнен, в первую очередь будет зависеть электробезопасность всего устройства в целом, в штатном и нештатном режимах работы.

Электромагнитная совместимость (ЭМС). В светильнике единственным преобразователем электрической энергии, способным влиять на электромагнитную обстановку, является импульсный источник питания. Поэтому от того, как он будет сконструирован, будет зависеть общая ЭМС готового изделия в целом.

Кроме того, источник питания должен соответствовать условиям эксплуатации светильника, для которого он разрабатывается (температурный диапазон, класс IP защиты).

Единственный параметр светильника, на который источник питания не оказывает влияния — это кривая силы света, которая формируется различными линзами, отражателями.

Поскольку источник питания оказывает существенное влияние на большое количество параметров светильника, есть ряд нормативных документов, которые регламентируют требования к ИП для светового оборудования (табл. 1)

Таблица 1. Нормативные документы, регламентирующие требования к ИП  

Стандарты действующие
в России
Международные
стандарты
Наименование
1 ГОСТ Р МЭК 60065-2005 МЭК 60065 Требования безопасности
2 ГОСТ Р51318.14.1-2006 EN55015 Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений. (ЭМС)
3 ГОСТ Р51317.3.2-2006 IEC 61000-3-2 Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы измерений. (ЭМС)
4 ГОСТ Р51317.3.3-2008 IEC 61000-3-3 Ограничение изменений напряжения, колебаний напряжения и фликера в низковольтных системах электроснабжения общего назначения. Технические средства с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе), подключаемые к электрической сети при несоблюдении определенных условий подключения. Нормы и методы испытаний. (ЭМС)

Кроме требований документов, перечисленных в таблице 1, есть дополнительные требования, но уже с учетом особенностей применения светильников, например, устойчивость к воздействию импульсных помех. Эти требования также регламентируются отдельным документом — ГОСТ Р 51317.4.5-99.

Светодиод — прибор безынерционный, он мгновенно отрабатывает все изменения тока, протекающего через него. И в случае, если источник питания имеет какие-то пульсации тока, они моментально превращаются на выходе светильника в пульсации светового потока. Такие пульсации регламентируются нормативным документом СанПиН 2.2.1 2.1.1.2585-10 «Гигиенические требования к естественному, искусственному и совмещенному освещению жилых и общественных зданий». В этом документе определены коэффициенты пульсаций в зависимости от функционального назначения помещения. Самая жесткая норма, 0%, применяется для помещений только одного типа — для чертежных залов. Следующий порог, 10%, применяется в помещениях для работы с мониторами. Есть еще порог 5%, но он определен в других СанПиН 2.1.8/2.2.4.2620-10 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организация работы». Таким образом, разработчику источников питания для светодиодных светильников необходимо знать не только требования общих санитарных правил и норм, но и требования других документов. В конечном счете, при разработке источника питания для наиболее распространенного офисного светильника, встраиваемого в подвесной потолок типа «Армстронг», необходимо исходить из того, что пульсации тока не должны превышать 5%. Примечательно, что для уличного освещения коэффициент пульсаций светового потока не определен. Для этого типа освещения нормируются уровень и неравномерность освещенности.

Основная особенность источника питания для светодиодного оборудования заключается в том, что это источник стабильного тока. Именно в том, что стабилизируется ток, а не напряжение, и есть отличие от широко распространенных стабилизаторов напряжения. Собственно говоря, до тех пор, пока на рынке не было мощных осветительных светодиодов, не было и источников тока для них.

Диапазон токов современных светодиодов довольно широк: от нескольких десятков до нескольких тысяч мА (например, диапазон токов мощных светодиодов компании CREE находится в диапазоне от 60 мА до 3 А).

В настоящее время на рынке присутствует большое количество готовых модульных источников питания с токами 350 мА, 700 мА, 1050 мА и выше, с кратностью 350 мА. Но не всегда можно подобрать готовый источник питания. Возникают ситуации когда:

  • светодиоды требуется питать током, не кратным 350 мА;
  • имеется «нестандартное» напряжение питания для разрабатываемого устройства (например, освещение в подвижном составе);
  • необходимо организовать регулировку тока через светодиоды (димминг);
  • конструкция готового модульного источника питания не подходит под разрабатываемое устройство;
  • необходимо минимизировать габариты устройства и т.п.

Во всех подобных ситуациях и тогда, когда к светильнику предъявляются какие-либо специфические требования, приходится разрабатывать собственный источник питания.

 

На что нужно обращать внимание при разработке этого изделия?

Поскольку в нашем случае первичная сеть — это 220 В/50 Гц, то наиболее востребованным является класс АС/DC-понижающих преобразователей. В этом случае, можно выделить три основных момента.

 

1. Наличие или отсутствие гальванической развязки от сети.

Прямого запрета на использование источников питания с гальванической связью с первичной сетью нет. Имеется регламентирующий документ ГОСТ МЭК 60 598-1-99 «Светильники. Общие требования и методы испытаний». Он подразделяет светильники на три класса по защите от поражения электрическим током.

В светильниках, выполненных по классу I электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и дополнительным защитным заземлением. В этом случае изоляция светильника испытывается при напряжении 1,44 кВ.

В светильниках, выполненных по классу II электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной и дополнительной или усиленной изоляцией. Испытательное напряжение уже имеет величину 3,6 кВ.

В светильниках, выполненных по классу III электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается применением безопасного сверхнизкого напряжения питания (БСНН) и в нем не возникает напряжение, превышающее БСНН (БСНН по данному документу — до 50 В включительно). Испытательное напряжение составляет всего 0,5 кВ.

В чем здесь может быть подвох? Дело в том, что светодиоды в светильники можно устанавливать как на печатные платы (ПП), изготовленные из стеклотекстолита, так и на печатные платы на алюминиевом основании. Если в источнике питания нет гальванической развязки, то один из выводов светодиода будет непосредственно связан с входной (220 В) клеммой светильника. У светодиодов имеются так называемые «термопады» — площадки, через которые отводится тепло. У многих светодиодов зазор между «термопадом» и выводом светодиода очень мал — 0,3…0,5 мм. В качестве радиатора используется корпус светильника, т.е. «термопад» имеет электрический контакт с корпусом. При условии применения ПП из стеклотекстолита эти доли миллиметра и будут составлять расстояние между корпусом светильника и входной клеммой, и ни о каких 1,44 кВ в данном случае речи идти не может — этот промежуток пробьется уже при нескольких сотнях вольт.

Если светодиод устанавливается на алюминиевую печатную плату, то этого избежать можно. Производители «сэндвичей» для печатных плат на металлическом основании гарантируют на свой материал напряжение пробоя 1,5…3 кВ.

Источники питания, имеющие гальваническую развязку от первичной электросети, предпочтительны с точки зрения электробезопасности и более простой конструкции светильника.

 

2. Коррекция коэффициента мощности (ККМ).

При традиционном построении источника питания, когда его входная цепь содержит выпрямительный мост и сглаживающий конденсатор (реактивная нагрузка), ток из сети потребляется кратковременно в виде коротких импульсов, совпадающих с пиковым значением входного напряжения (рис. 1).

 

Формы тока потребления и напряжения сети источника питания без ККМ

 

Рис. 1. Формы тока потребления и напряжения сети источника питания без ККМ

 

При этом в сети появляются высшие гармоники тока (реактивная составляющая) и искажается форма напряжения сети. Основную опасность представляют третья и все нечетные, кратные третьей, гармоники тока. Эти гармоники из каждой фазы суммируются в нулевом проводнике трехфазной сети, что приводит к его перегреву и может спровоцировать возгорание изоляции. Задача корректора мощности состоит в том, чтобы сформировать для источника питания входной ток синусоидальной формы, по фазе совпадающий с входным напряжением, т.е. сделать источник питания по отношению к первичной сети активной нагрузкой (рис. 2).

 

Формы тока потребления и напряжения сети источника питания с ККМ

 

Рис. 2. Формы тока потребления и напряжения сети источника питания с ККМ

Допустимый уровень гармонических составляющих тока определен в ГОСТ Р 51317.3.2-2006 «Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний» (табл. 1).

Все оборудование делится на четыре класса: «A», «B», «C» и «D». Класс «C» — это источники питания светового оборудования, именно то, что нас интересует. Граница разделения по эмиссии гармонических составляющих в приборах этого класса определяется потребляемой активной мощностью и составляет 25 Вт. На приборы с потребляемой активной мощностью менее 25 Вт требования на эмиссию гармонических составляющих менее жесткие, чем на источники питания с потребляемой мощностью более 25 Вт (табл. 2, 3). Для выполнения требований по эмиссии гармонических составляющих в приборах с потребляемой мощностью более 25 Вт в схему источника питания в большинстве случаев приходится вводить коррекцию мощности с коэффициентом 0,8…0,99.

Таблица 2. Нормы гармонических составляющих для световых приборов мощностью менее 25 Вт

Порядок гармонической составляющей, n Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, мА/Вт* Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, А
3 3,4 2,30
5 1,9 1,14
7 1,0 0,77
9 0,5 0,40
11 0,35 0,33
11 Ј n Ј 39 (только для нечетных гармонических составляющих) 3,85/n в соответствии с табл. 1
* – на 1 Вт мощности ТС.

Таблица 3. Нормы гармонических составляющих для световых приборов мощностью более 25 Вт  

Порядок гармонической
составляющей, n
Макс. допустимое значение гармонической составляющей тока, % основной гармонической составляющей потребляемого тока
2 2
3 30l*
5 10
7 7
9 5
11 Ј n Ј 39 (только для нечетных гармонических составляющих) 3
* – коэффициент мощности цепи  

Коэффициент мощности (l) является комплексным показателем, включает в себя искажение формы потребляемого тока и сдвиг фаз между потребляемым током и входным напряжением, характеризует эффективность использования потребляемой из сети энергии и определяется как отношение между активной (полезной) и полной (активной и реактивной) потребляемой мощностью преобразователя напряжения:

 

l = Pвх ак/Sвх полн

 

Коэффициент мощности показывает, какая часть потребляемой из первичной сети энергии идет непосредственно на преобразование, а какая часть «гуляет» по проводам, не совершая полезной работы (реактивная составляющая), вынуждая прокладывать провода с увеличенным сечением во избежание перегрева.

Коррекция коэффициента мощности может быть выполнена на пассивных элементах (пассивная коррекция) или с использованием специальной микросхемы (активная коррекция). Наибольшее применение находят схемы с активной коррекцией мощности. Подобные схемы позволяют получить l до 0,99.

Источник питания с активной коррекцией мощности может быть выполнен по схеме однокаскадного (рис. 3) или многокаскадного преобразователя (рис. 4).

 

Блок-схема однокаскадного источника с активной схемой КМ

 

Рис. 3. Блок-схема однокаскадного источника с активной схемой КМ

 

 

Блок-схема многокаскадного источника с активной схемой КМ

 

Рис. 4. Блок-схема многокаскадного источника с активной схемой КМ

В схеме с однокаскадным преобразованием на вход схемы управления (PWM&PFC CONTROL) подается информация о пульсирующем входном напряжении после выпрямительного моста и EMI-фильтра, причем здесь нет фильтрующего электролитического конденсатора (это принципиально), и на вход схемы управления заводятся все виды обратной связи источника. В итоге схема управления вырабатывает ШИМ-напряжение, которое воздействует на ключевой транзистор по определенному алгоритму.

Одним из недостатков этой схемы является то, что все обратные связи и информация о форме входного напряжения поступают на одну схему управления. При изменении параметров нагрузки, изменении входного напряжения, при воздействии различных дестабилизирующих факторов обратные связи оказывают влияние на коррекцию коэффициента мощности, как правило, понижая ее.

Улучшенные характеристики можно получить, если коррекцию коэффициента мощности вынести в отдельный каскад, как на рис. 4 (PFC Controller/PFC Circuit). В этом случае каскад коррекции отрабатывает только форму напряжения сети, а все остальные виды обратных связей сосредоточены в отдельном каскаде (PWM Controller/Power Switching) и влияние на КМ не оказывают.

 

Какую же схему источника питания с ККМ выбрать?

Основным положительным качеством схемы с однокаскадным преобразованием является более простая схемная реализация и низкая стоимость, но существенным недостатком являются повышенные пульсации выходного тока с удвоенной частотой сети (100 Гц) (рис. 5). Это обусловлено тем, что сглаживающий электролитический конденсатор в этом случае подключается фактически на выходе источника питания параллельно нагрузке, и полностью избавиться от пульсаций тока практически невозможно.

 

Форма выходного тока однокаскадного и двухкаскадного преобразователя с активной схемой КМ

 

Рис. 5. Форма выходного тока однокаскадного и двухкаскадного преобразователя с активной схемой КМ

Поэтому схема источника питания с однокаскадным преобразованием находит широкое применение для светодиодных светильников наружного (уличного) освещения, где нет требований по пульсациям светового потока.

Для офисных светильников и светильников для освещения помещений с долговременным пребыванием людей, там, где есть требования к пульсациям светового потока, более предпочтительна схема источника с многокаскадным преобразованием. В этом случае возможно построение источника питания с коррекцией коэффициента мощности и практически без пульсаций выходного тока. Естественно, схема источника питания при этом будет более сложной, но качество питающего светодиоды тока, а следовательно — полученного света, будет значительно выше.

Микросхемы однокаскадных ШИМ-контроллеров и отдельных корректоров мощности присутствуют в линейках продукции таких известных производителей, как: Texas Instruments (TI), ON Semiconductor (ON), STMicroelectronics (ST) и др.

Используя продукцию перечисленных производителей, можно разрабатывать источники питания для светодиодного оборудования как с гальванической связью с сетью, так и гальванически развязанные от сети, с однокаскадным или многокаскадным преобразованием.

 

3. Коэффициент полезного действия (КПД).

Потери в импульсном преобразователе можно разделить на две группы: потери при преобразовании, связанные с неидеальностью параметров применяемых комплектующих, и потери в цепи обратной связи. Снизить потери первой группы можно, применяя более современные и качественные комплектующие: микросхемы с малым собственным током потребления; быстродействующие транзисторы (ключи) с минимальным внутренним сопротивлением, лучшими частотно-временными параметрами и с небольшой энергоемкостью по входу; более качественные моточные изделия и т.д.

Потери, возникающие в цепи обратной связи, напрямую зависят от значения опорного напряжения (напряжение обратной связи), относительно которого происходит стабилизация тока. Дело в том, что в качестве датчика тока используется резистор. Через него протекает стабилизируемый ток. Значение этого тока может доходить до нескольких ампер (в мощных источниках питания уличных светильников). И многое зависит от того, какое внутреннее опорное напряжение у микросхемы, выбранной в качестве ШИМ-контроллера. Если это напряжение на уровне 0,5 В и выше — это уже плохо. Применяя микросхемы с минимально возможным значением опорного напряжения, можно использовать более низкое значение сопротивления датчика тока, рассчитанного на меньшую рассеиваемую мощность, что, в конечном итоге, минимизирует общие потери в источнике питания и повысит его общий КПД. В современных интегральных микросхемах для построения источников питания светодиодных светильников напряжение обратной связи находится в диапазоне 100…300 мВ.

На основании имеющегося опыта можно сформировать основные общие требования к источникам питания светодиодных светильников в зависимости от их применения.

По применению светильники можно условно разделить на три большие группы: светильники для наружного освещения, внутреннего освещения и светильники для системы ЖКХ. Каждая группа будет характеризоваться некоторым набором основных параметров.

Источники питания для светильников наружного освещения должны иметь диапазон выходной мощности в десятки и сотни ватт. Значение выходного тока должно быть от 1 А и выше, при этом обязательным условием становится наличие ККМ и обеспечение соответствующей защиты от климатических факторов по ГОСТ 15150.

Источники питания для применения внутри помещений, как правило, имеют меньшую выходную мощность — десятки ватт; выходной ток до 1,5 А, но основным фактором выступает коэффициент пульсаций тока и наличие ККМ.

Источники питания для светильников в сфере ЖКХ характеризуются мощностью единицы-десятки ватт. Выходной ток источника — десятки-сотни мА. Наличие ККМ — в зависимости от потребляемой мощности (более или менее 25 Вт). В настоящий момент если светильник потребляет менее 25 Вт активной мощности, требования к эмиссии гармонических составляющих — щадящие (табл. 2).

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail: lighting.vesti@compel.ru

•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонен ...читать далее