Источники питания для LED: не стойте перед выбором, делайте его!

14 декабря 2011

Светодиодное освещение, как один из видов энергосбережения, все шире используется в нашей повседневной жизни. Поправки к СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10, принятые 15.03.2010 г., разрешили применение светодиодных светильников во всех сферах, кроме учреждений дошкольного, школьного и профессионально-технического образования. С 20.05. 2011 г. введен документ СП 52.13330.2011 «Свод правил. Естественное и искусственное освещение» (актуализированная редакция известного документа по освещению СНиП 23-05-95*), где уже указаны требования к светодиодным источникам света (диапазон коррелированной цветовой температуры для общего искусственного освещения помещений и светоотдача).

Для обеспечения высокой надежности и стабильности хроматических показателей, а также для продолжительного срока службы светодиодного светильника, светодиоды необходимо питать постоянным стабильным током. Более того, источник питания, так или иначе, оказывает непосредственное влияние практически на все качественные характеристики светодиодного светильника (электромагнитная совместимость, электробезопасность, энергоэффективность, и т.п.). Источник питания не влияет, пожалуй, только на кривую силы света (КСС) и показатель дискомфорта светильника.

В качестве источника питания можно выбрать готовое решение в виде модульного источника тока. Модульные источники тока (питания) для различных сфер применения очень широко представлены на рынке различными производителями (EagleRise, Soaring, MEAN WELL, Inventronics и др.), и разработчику приходится решать сложную задачу выбора оптимального источника питания для своей разработки. Чтобы грамотно ее решить и выбрать источник питания, лучшим образом подходящий для разрабатываемого изделия, нужно ориентироваться в различных нормативных документах. Часто разработчики, впервые начинающие разрабатывать светодиодный светильник, просто не знают, на что следует обращать внимание и где искать ответы на возникающие вопросы.

По области применения освещение можно условно разделить на три большие группы: внутреннее освещение, наружное освещение и освещение в системе жилищно-коммунального хозяйства (ЖКХ), которое, в свою очередь, также может быть наружным и внутренним. Каждая группа будет характеризоваться некоторыми общими светотехническими, электрическими и конструктивными требованиями, предъявляемыми к светильнику. Эти требования можно найти в различных существующих нормативных документах (ГОСТы, СанПиН).

Рассмотрим, каким требованиям должен удовлетворять источник питания светодиодного светильника в зависимости от его применения. Вначале остановимся на параметрах, которые являются общими для всех групп. К таким параметрам следует отнести электробезопасность, электромагнитную совместимость (ЭМС) и КПД.

Электробезопасность

Поскольку первичным источником питания в подавляющем большинстве случаев является сеть 380/220 В/50 Гц, то требования по электробезопасности в обязательном порядке должны быть соблюдены.

Требования к электробезопасности светильников приведены в нормативном документе 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 I классу электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и дополнительным защитным заземлением. В этом случае изоляция светильника испытывается при подведении к светильнику испытательного напряжения 1,44 кВ, а светильник к сети подключается трехпроводным кабелем.

В светильниках, выполненных по II классу электробезопасности, защита от поражения электрическим током обеспечивается основной и дополнительной или усиленной изоляцией. В этом случае испытательное напряжение имеет величину 3,6 кВ, а светильник допускается подключать к сети двухпроводным кабелем.

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

Исходя из того, по какому классу электробезопасности разрабатывается светильник, следует при выборе источника питания обращать внимание на такой его параметр, как электрическая прочность изоляции вход-выход и/или вход-корпус, и, применяя те или иные конструктивные решения, не ухудшить в конечном изделии значение этого параметра.

Согласно рассматриваемому документу возможно применение источников питания и без гальванической развязки (гальванически связанных с сетью). В этом случае выполнить требования по электробезопасности может оказаться более сложно, но возможно, если светодиоды устанавливаются на алюминиевую печатную плату с электрической прочностью изоляции более 1,44 кВ.

Гальванически развязанные источники питания предпочтительней с точки зрения более простой конструкции светильника.

Электромагнитная совместимость и КПД

Любые радиоэлектронные устройства, а источник питания является одним из таких устройств, не должны оказывать при работе существенного влияния друг на друга — это регламентируется правилами ЭМС. Нормативные документы, относящиеся к ЭМС, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Перечень нормативных документов  

Среди нормативных документов, указанных в таблице 1, интерес представляет ГОСТ Р51317.3.2-2006 «…Эмиссия гармонических составляющих…». Этот документ определяет уровень гармонических составляющих тока, кратных основной частоте (50 Гц), которые возникают в сети вследствие подключения к ней импульсного источника питания.

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), в сети появляются высшие гармоники тока (реактивная составляющая) и искажается форма напряжения сети.

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

Основную опасность представляют третья и все нечетные кратные третьей гармоники тока. Дело в том, что все эти гармоники из каждой фазы суммируются в нулевом проводнике трехфазной сети и могут превысить значение, на которое он рассчитан, что может привести к его перегреву и даже спровоцировать возгорание изоляции. Нужно, чтобы форма потребляемого тока была близка к синусоиде и по фазе совпадала с входным напряжением. Для этого в источник питания вводится коррекция коэффициента мощности (ККМ, PFC). Цель коррекции коэффициента мощности — сделать источник питания по отношению к первичной сети активной нагрузкой (рис. 2).

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

В соответствии с ГОСТ Р51317.3.2-2006 все оборудование делится на четыре класса «A», «B», «C», «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 приходится вводить коррекцию коэффициента мощности (пассивную или активную) с коэффициентом 0,8…0,99.

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

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

Из таблиц 2 и 3 видно, что контролируется каждая гармоническая составляющая тока основной частоты вплоть до 39 гармоники включительно. Наличие в потребляемом токе гармоник с амплитудой не выше указанных в таблицах является достаточным условием выполнения требований данного ГОСТа. Напротив, высокое значение коэффициента мощности в общем случае не гарантирует выполнение требований ГОСТа и является необходимым условием. Однако в подавляющем большинстве случаев источник питания с высоким значением коррекции мощности обеспечивает требования ГОСТ Р51317.3.2-2006 для устройств класса «С».

Коэффициент мощности (l) характеризует эффективность использования потребляемой из сети энергии и определяется как отношение активной (полезной) к полной (активной и реактивной) потребляемой мощности преобразователя напряжения:

l = Pвх ак/Sвх полн

Проще говоря, коэффициент мощности показывает, какая часть потребляемой из 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.

Светодиоды относятся к классу энергосберегающих источников света. Стоимость светодиодных светильников, хотя и неуклонно снижается, но на сегодняшний день еще достаточно высока. Экономия на преобразовании электроэнергии в источнике питания в конечном итоге позволяет снизить стоимость светодиодного света и поднять общую эффективность светильника. В светодиодном светильнике желательно применять источники питания с повышенным значением КПД (от 85…87% и выше, а для освещения улиц от 90%).

Рассмотрим особенности выбора источников питания для внутреннего освещения помещений и освещения улиц.

Источники питания для внутреннего освещения

Диапазон выбора готовых модульных источников питания для светодиодных светильников внутреннего освещения достаточно широк, но чтобы законченное изделие выдержало необходимые сертификационные испытания, диапазон выбора придется резко сузить.

Для большинства помещений при искусственном освещении, согласно приведенным в начале статьи документам СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 и СП 52.13330.2011, в зависимости от характера выполняемой работы нормируется очень важный показатель — коэффициент пульсаций освещенности (Кп). Значение коэффициента пульсаций освещенности может быть 10%, 15%, 20% или ненормированным. Частота пульсаций в явном виде не указана, но подразумевается, что она не выше 300 Гц. Согласно исследованиям, частота пульсаций освещенности более 300 Гц не оказывает влияния на человека. Светодиод — прибор практически безынерционный и любая нестабильность тока (пульсации) в источнике питания на выходе светильника оказывается нестабильностью (пульсацией) светового потока, а, следовательно, освещенности. Схемотехника источников питания такова, что в диапазоне частот до 300 Гц проблему создает удвоенная частота сети 100 Гц (рис. 3)

Рис. 3. Форма выходного тока источника питания

Существует любопытный нюанс по поводу коэффициента пульсаций освещенности. Документ СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 регламентирует максимальное значение коэффициента пульсаций в помещениях с установленными дисплеями 10%. Есть другой действующий документ: СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03 «Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы», в котором этот же параметр ограничивается величиной не более 5%. Причем, два документа выпущены одним и тем же ведомством, в одном и том же 2003 году (СанПиН 2.2.1/2.1.1.2585-10 ссылается на СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278-03 от 2003 г). Этот нюанс нужно учитывать при разработке светильника для освещения помещений с установленными мониторами. В помещениях для работы с мониторами следует руководствоваться более жесткой нормой коэффициента пульсаций — не более 5%. Обеспечить коэффициент пульсаций на таком достаточно низком уровне можно либо правильным выбором готового модульного источника питания, либо подключением светильников в помещении на различные фазы первичной сети. Вариант подключения светильников на различные фазы — это задача снижения коэффициента пульсаций освещенности, которая решается проектировщиком системы освещения помещения. Здесь может быть некоторая сложность, если требуется менять уровень освещенности (выключать часть светильников), или в помещении присутствует только одна фаза напряжения сети. Если в светильнике применять источники питания с изначально низким значением коэффициента пульсаций тока, то независимо от схемы подключения светильников и наличия количеств фаз напряжения в помещении, всегда можно обеспечить требуемый уровень коэффициента пульсаций освещенности.

Номенклатура светильников внутреннего освещения находится в широком диапазоне мощности (от единиц до нескольких десятков ватт) в различных конструктивных исполнениях. Наибольшее распространение имеют растровые светильники, встраиваемые в подвесной потолок типа «Армстронг» (600х600 мм) и светильники направленного света типа «downlight». Рассмотрим, какие источники питания с учетом изложенных выше требований можно применить в этих светильниках.

Используя современные светодиоды, например, компании CREE (MX-6, ML-E), можно изготовить растровый светодиодный светильник, аналог люминесцентного (600х600 мм), со световым потоком в диапазоне 2400…3000 лм и подводимой мощностью 28…35 Вт. Исходя из этого значения мощности, следует выбрать источник питания с ККМ, а учитывая требования по коэффициенту пульсаций освещенности (не более 5%), следует остановиться на источнике питания с низкими пульсациями выходного тока. Всем этим требованиям отвечают источники питания производителя Soaring, приведенные в таблице 4 (здесь и далее по тексту в таблицах приведена только часть продукции; полный перечень продукции находится на сайте http://www.compel.ru/ в разделе «LED светотехника»).

Таблица 4. Источники питания Soaring c наличием ККМ  

Источники питания выполнены в удлиненном прямоугольном металлическом корпусе, оптимальном для линейных светильников, имеют защиту от внешних воздействующих факторов IP67, диапазон рабочей температуры -30°С…70°С и соответствуют I классу по электробезопасности (рис. 4).

Рис. 4. Внешний вид источников питания Soaring

Учитывая стоимость данных источников питания и характеристики, которыми они обладают, можно смело утверждать, что продукция этого производителя обладает одним из лучших соотношений цена/качество. Источники характеризуются очень низкими пульсациями тока, что позволяет использовать их для светильников, к которым предъявляются самые жесткие требования по пульсациям освещенности (рис. 5).

Рис. 5. Форма выходного тока источников питания Soaring (Кп=3,4%)

На рис. 6 приведена осциллограмма формы потребляемого тока (желтого цвета) и входного напряжения (синего цвета) источника SAF-28-350. Видно, что форма потребляемого тока практически совпадает с формой входного напряжения, и полностью отсутствует сдвиг фаз между ними, что говорит о наличии очень хорошей коррекции коэффициента мощности. Вычисления с использованием программы MathCAD дали результат l = 0,98.

Рис. 6. Формы входного тока и напряжения источников питания Soaring (SAF)

На рис. 7 приведен спектр потребляемого тока (красного цвета) и допустимый уровень гармонических составляющих по ГОСТ Р51317.3.2-2006 для устройств класса «С» с потребляемой мощностью более 25 Вт.

Рис. 7. Уровень гармонических составляющих потребляемого тока

Вычисления проводились также в программе MathCAD с помощью преобразования Фурье. Ни одна гармоника не превышает допустимый уровень. Параметры источника снимались при 95% нагрузке (26,6 Вт), при этом КПД получился равным 82,5%, что даже несколько выше, чем заявлено. Подобную форму, а также спектр потребляемого тока имеют все источники (SAF), указанные в таблице 4.

Линейка продукции данного производителя включает и источники питания без ККМ (таблица 5), но с более высоким значением КПД и по более низким ценам.

Таблица 5. Источники питания Soaring без ККМ  

Светодиодные аналоги светильников типа «downlight» выпускаются в широком диапазоне мощности от единиц до десятков ватт. Для питания подобных светильников можно применить продукцию известного производителя светодиодных источников питания компании EagleRise.

Продукция компании EagleRise характеризуется невысокой стоимостью и хорошим качеством. Источники питания выпускаются на два значения тока (350 мА, 700 мА) в диапазоне мощности от 1 до 21 Вт в различных конструктивных исполнениях (рис. 8). В линейке продукции имеются источники как без ККМ, так и с наличием схемы ККМ, как с практически полным отсутствием пульсаций выходного тока, так и с пульсациями в диапазоне 15…40%.

Рис. 8. Внешний вид источников питания EagleRise

Если требуется разработать светильник менее 25 Вт и с отсутствием пульсаций освещенности, то можно использовать источники питания, приведенные в таблице 6.

Таблица 6. Источники питания EagleRise с низкими пульсациями выходного тока  

Невысокий КПД источников в данном случае допустим ввиду небольших выходных мощностей.

В случаях, когда к светильникам, имеющим мощность менее 25 Вт, должны быть предъявлены более жесткие требования по эмиссии гармонических составляющих, чем регламентирует ГОСТ Р51317.3.2-2006, но в то же время допускаются пульсации освещенности 10%, 15% или 20%, можно использовать источники питания, указанные в таблице 7.

Таблица 7. Источники питания EagleRise с наличием ККМ  

На рисунке 9 приведены формы потребляемого тока (желтый цвет), входного напряжения (синий цвет) и на рисунке 10 — спектр гармоник для источника ELP018C0350LSP, а на рисунке 11 — форма выходного тока.

Рис. 9. Формы потребляемого тока и входного напряжения

Рис. 10. Спектр потребляемого тока

Рис. 11. Форма выходного тока источника ELP018C0350LSP (Кп=16%)

Из рисунка 11 видно, что источник с выходной мощностью 18 Вт обеспечивает требования по эмиссии гармонических составляющих, предъявляемые к источникам с мощностью более 25 Вт. Подобные осциллограммы — и у источника ELP010C0350LS.

Рассматривая внутреннее освещение, нельзя обойти вниманием и сферу ЖКХ. Для светильников, применяемых в ЖКХ, можно с успехом и практически без каких-либо ограничений использовать все те источники питания, которые были рассмотрены выше. Необходимо учитывать диапазон рабочей температуры и класс защиты IP. Здесь, за редким исключением (например, в помещении консьержа — не более 20%) нет требований к коэффициенту пульсаций освещенности. Мощности светильников часто имеют значение менее 25 Вт, поэтому можно использовать источники питания без ККМ. В качестве источников питания для светильников системы ЖКХ идеально подходит еще одна модель компании EagleRise: ELP18x1CS.

Источник ELP18x1CS выполнен в круглом (в виде шайбы) корпусе с защитой IP65, имеет диапазон рабочей температуры -20…50°С и встроенную схему ККМ с l > 0,9. Его особенность — пульсации выходного тока до 40% — в данном применении несущественна, так как коэффициент пульсаций освещенности на объектах ЖКХ в подавляющем большинстве случаев не нормируется.

В приложениях, для которых требуется разработать светильник с возможностью управления яркостью (димминг) от настенного регулятора освещенности, можно применить источники питания, указанные в таблице 8.

Таблица 8. Источники питания EagleRise с диммингом  

Все выпускаемые данным производителем источники питания имеют гальваническую развязку от сети, выполненную по II классу электробезопасности.

В настоящее время компания EagleRise расширила линейку продукции по максимальной мощности до 50 Вт включительно и изменила шаг кратности выходного тока. В новых изделиях возможно при заказе выбирать значение выходного тока с шагом 100 мА (в источниках с выходным током от 500 мА). Данная продукция (источники питания мощностью 30, 40 и 50 Вт) проходит завершающую стадию испытаний и в скором времени (через 2-3 месяца) будет доступна для заказа.

Источники питания для наружного освещения

При выборе источников питания для светильников наружного применения нет требований по пульсациям тока (нормируется только уровень и неравномерность освещенности), но есть другие требования, связанные с условиями эксплуатации и устойчивостью к воздействию импульсных помех большой энергии (молниезащита). Требования по наличию в источнике питания ККМ также остаются.

Поскольку светильники наружного применения эксплуатируются в широком температурном диапазоне и имеют различный класс защиты от внешних воздействующих факторов, то вариант исполнения выбираемого источника питания должен определяться условиями эксплуатации светильника, в котором он будет установлен. Вариант исполнения связан с условиями эксплуатации и определяется по ГОСТ 15150-69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды». Согласно этому документу, светильники наружного применения должны быть работоспособны при нижней границе температуры окружающей среды от -40°С и ниже. Класс защиты устройства определяется по ГОСТ 14254-96 «Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (IP)».

Температурный диапазон и вариант исполнения выбираемого источника питания должны быть не хуже, чем соответствующие характеристики светильника, если не предусматривается дополнительная защита источника. Ввиду довольно высоких мощностей (десятки и сотни ватт) для облегчения теплового режима светодиодов, источники питания, как правило, располагают на внешней стороне светильника. В этом случае рекомендуется класс защиты источника не ниже IP65 (желательно IP66).

При прямом попадании молнии в наружную сеть электропитания в ней возникают импульсные перегрузки большой энергии вследствие протекания тока разряда (сотни кА). Подобные перегрузки возникают в сети и при грозовом разряде, когда образующиеся поля индуцируют повышенные напряжения и токи в наружных проводниках, а также при различных коммутациях конденсаторных батарей, разделительных трансформаторов большой мощности и т.п. Конечно, электросеть содержит системы первичного подавления и ослабления подобных перегрузок, но их бывает недостаточно ввиду распределенности и разветвленности сети. Поэтому важно наличие защиты непосредственно в устройствах, подключенных к электросети, что значительно повышает надежность всей системы. Наличие подобной защиты требуется, например, в источниках питания уличного осветительного оборудования. Требования изложены в нормативном документе ГОСТ Р 51317.4.5 «Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к микросекундным импульсным помехам большой энергии. Требования и методы испытаний». Этот документ определяет классы устройств в зависимости от их применения и устанавливает требования к ним при воздействии помехи.

Применение для уличного освещения источников питания без встроенной защиты требует дополнительной установки различных внешних элементов, что усложняет и удорожает монтаж.

Выбор источников питания, которые удовлетворяют всем перечисленным выше требованиям, весьма узок. Подобные источники питания можно найти в номенклатуре продукции известных производителей Inventronics и MEAN WELL (серия HLG) (рис. 12).

Рис. 12. Внешний вид источников питания Inventronics и MEAN WELL

Продукция этих производителей и по внешнему виду и по многим параметрам очень похожа между собой. Различия наблюдаются в том, что максимальное выходное напряжение у источников MEAN WELL ограничено значением 54 В, но в то же время эти источники могут работать в режиме стабилизации напряжения и в режиме стабилизации тока. Напротив, у Inventronics такого ограничения по напряжению нет, но для различных режимов стабилизации требуются разные источники. Светодиоды, как известно, питаются током, поэтому изначально всегда требуется источник, работающий в режиме стабилизации тока, и возможность работы одного и того же изделия в различных режимах в светодиодных светильниках бывает не всегда востребована.

В линейке продукции обоих производителей есть изделия с возможностью регулировки выходного тока. Регулировка выходного тока осуществляется тремя различными способами: по протоколу 0…10 В, методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и внешним переменным резистором. Среди изделий Inventronics есть многоканальные источники (до четырех каналов) с индивидуальной стабилизацией тока на 350 мА в каждом канале.

Выпускаемые источники характеризуются повышенным значением КПД до 92…94%, имеют встроенную активную схему ККМ с l > 0,9…0,95 и работоспособны в диапазоне входного напряжения 90…305 В. Источники питания изготавливаются по классу защиты от внешних воздействующих факторов IP65/67 и по II классу электробезопасности, содержат встроенную защиту от импульсов большой энергии. Источники выпускаются на различные токи мощностью до 200/240 Вт. Имеют рабочий диапазон температур -35°С…60°С у Inventronics и -40°С…70°С у MEAN WELL.

В таблице 9 приведена номенклатура продукции рассмотренных производителей (частично, для ознакомления).

Таблица 9. Источники питания Inventronics и MEAN WELL  

Заключение

Источник питания светодиодного светильника является очень важной составляющей, обеспечивает качественные показатели разработанного изделия на протяжении всего срока службы. При выборе источника питания необходимо учитывать большое количество различных параметров, ориентироваться в нормативных документах. Только тогда можно разработать изделие, которое выдержит комплекс сертификационных испытаний, и его можно будет эксплуатировать.

Большое число производителей и широкий диапазон предлагаемой ими продукции позволяют для каждого разрабатываемого изделия подобрать источник питания с требуемыми параметрами. Задачу упрощает возможность параметрического поиска в каталоге на сайте http://www.compel.ru/ (раздел «LED светотехника» подраздел «ИП для LED»).

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