Захранващи блокове за мощни светодиоди

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2011

 В бр. 4/2011 г. на списание Инженеринг ревю бяха разгледани последните новости в областта на мощните светодиоди (HBLED), а в бр. 1/2011 г., - интегралните схеми (драйвери) за захранването им. На основата на тези интегрални схеми се реализират захранващи блокове, които също се наричат модули и мощни драйвери (High Power LED Driver). Обикновено те се свързват към променливотоковата електрическа мрежа и по-рядко към постояннотоков източник, акумулатор или батерия, за да осигуряват необходимото постоянно напрежение и ток за захранване на HBLED. Конструктивното им оформление е във вид на модул за монтиране извън осветителното тяло или в него, ако е с достатъчно големи размери. За монтаж в самостоятелни светодиодни лампи (например в цокъла им) се използват модули за вграждане, представляващи печатна платка. В настоящата статия се изясняват основните параметри на захранващите блокове, тяхната структура и разновидности, включително осигуряване на регулиране на интензитета на светлината.
Особености на блоковете
Освен да осигуряват постоянно напрежение и ток и съответно мощност за захранване на HBLED, блоковете трябва да отговарят на редица допълнителни изисквания. Необходимо е да имат фактор на мощността (cosj) максимално близък до 1, колкото е възможно по-голям коефициент на полезно действие (к. п. д.) h, да работят нормално до достатъчно голяма околна температура TАm (особено важно за осветителни тела на открито) и да имат подходящо уплътнение за защита от проникване на твърди предмети и влага. За целта често се използват специални смоли с малко топлинно съпротивление, които допълнително подобряват охлаждането. Уплътнението е в съответствие с IP нормите (Ingrass Protection Ratings), валидни за всякакви електрически прибори в кутии, и се означава с IPxx. Тук xx е число с първа цифра, указваща защитата от проникване на твърди предмети и втора – от влага. За работа в помещения се препоръчват блокове най-малко с IP32 (предпазване от проникване на твърди предмети с размери над 2,5 mm и водна струя под ъгъл до 15° спрямо вертикалата), а на открито – с IP66 (пълна защита от прах и от временно заливане с вода). Освен това, има и защита от статично електричество в съответствие със стандарта IEC61000-4-5, според който има 4 вида блокове с фиксирано максимално напрежение 0,5 kV, 1 kV, 2 kV и 4 kV и пети - с напрежение, определяно от производителя.
Даден блок не винаги може да осигури желания ток или напрежение за захранване на определен набор от HBLED. За осигуряване на по-голям ток се използва паралелно свързване на два (фиг. 1а) или повече блока. Препоръчва се те да са от един тип, за да може токът на HBLED да се разпредели практически равномерно между тях. Диодите не са задължителни, а само се препоръчват за поставяне при 3 или повече блока за осигуряване на работата на HBLED дори при късо съединение на изхода на един от тях. Същото е в сила и за кондензаторите, но те са за намаляване на нежеланите пулсации в напрежението на входовете Ini, дължащи се на работата на блоковете. Входовете може да са свързани към една мрежа или към различни, например единият към 220 V, а другият - към акумулатор. Последното се използва в непрекъсваемите захранвания (UPS).
За HBLED, изискващи голямо напрежение, се използва последователното свързване на два еднакви блока (фиг. 1б), всеки с мощност най-малко 75% от тази на HBLED. Предпазните диоди са вградените в блоковете или външни, като обратното им напрежение трябва да е по-голямо от напрежението на HBLED. Кондензаторите тук са задължителни.

Основни параметри
Максималната изходната мощност (Maximum Output Power) Ро като параметър е най-голямата, която блокът може да осигури и има типични стойности между няколко W и няколко стотици W. Тя е в сила между минимално допустимата околна температура (също представляваща параметър) и споменатата TАm, след която намалява. Често графичната зависимост на Ро от околната температура ТА се дава като графика (Derating Curve), пример за каквато е на фиг. 2.
Вместо границите на ТА, някои производители дават тези на температурата на корпуса ТС на модула, която се измерва в определена негова точка, указвана обикновено в каталога като Tcase Point. Връзката между ТА и ТС е както при всички полупроводникови прибори чрез температурното съпротивление корпус-околна среда qСА. При използване на ТА, като параметър често се прибавя и максимално допустимата температура на корпуса TCmax.
Входното напрежение (AC Input Voltage) VIN обикновено е в твърде широки граници, включващи 220 V, а стойността на cosj не е постоянна в процеса на експлоатация, като нараства с увеличаване на изходната мощност и намаляване на VIN и максималната може да надхвърли 0,99. В някои каталози тези зависимости са представени като графики.
В електрическата мрежа могат нежелано да се индуцират импулсни напрежения със значителни стойности, които, постъпвайки на входа на модулите, не трябва да ги повредят. Затова е практически задължително те да са със защита (Surge Protection, Transient Voltage Surge Protection) SP, която при импулсно напрежение над определена стойност Us да даде входът накъсо чрез подходящо свързани стабилитрони или варистори. Параметри са максимално допустимият импулсен ток през тях (Inrush Current) Ipk и времето tpk на протичането му. При вграждане в блока на елементите за защита стойностите на Us са до 4 kV, докато за по-големи напрежения се използват външни елементи, които осигуряват основно защити за 6 kV и 10 kV. Параметър е и средноквадратичната стойност на максимално допустимото напрежение Visol между входа и изхода (Input-Output Isolation).
Постоянното изходно напрежение (DC Output Voltage) Vо и постоянният изходен ток (DC Output Current) Io са в пряка зависимост от типа на блока. Поради добре познатите особености на HBLED се предпочитат блокове с неизменен изходен ток (Constant Current Output), за които параметри са и абсолютната DIo или относителната dIo=100DIo/Io,% стойност на производствения му толеранс и допустимите граници на Vо. В някои блокове Io не е с фиксирана стойност, а тя може да се задава чрез резистор Rset, което понякога се означава като Adjustable Output Current (AOC). Връзката между Ро и Rset се дава като графика или с формула. С Io са свързани една или две често използвани защити, които изключват HBLED - при ток над определена стойност и при късо съединение на изхода. Стойностите на Vo, Io и Ро влияят върху начина на работа на блоковете. Тези от UL Class2 са безопасни, тъй като имат Io Ј 5 A и Ро Ј 100 W, а максималното Vо зависи от условията на експлоатация – то е 30 V във влажна среда и 60 V в суха среда. За блоковете от UL Class1 се счита, че представляват опасност, тъй като една или повече от трите величини е по-голяма. Споменатият к. п. д. (Power Conversion Efficiency) е отношение на Ро и входната мощност. Стойността му не е постоянна, а зависи от Io и Vо, като нараства с увеличаването им. В някои каталози се дават графики на тези зависимости.
Поради своята структура и действие блоковете променят нежелано формата на входното напрежение, което се оценява чрез класическия параметър коефициент на нелинейни изкривявания (Total Harmonic Distortion) THD с типични стойности под 20%, като той намалява с увеличаване на Ро и VIN. Тези зависимости в някои каталози се дават графично.
Съществен параметър е експлоатационният срок (Lifetime), който трябва да е равен, а по възможност и по-голям от този на захранваните HBLED. Той представлява времето в часове при определени работни условия до настъпване на повреда в блока. До определена околна температура (обикновено TАm) стойността му е фиксирана и именно тя се дава като параметър, но след тази температура експлоатационният срок бързо намалява. Например стойността му за блока Xitanium на Philips е 100 000 часа при ТАЈ70 °С и намалява на 50 000 часа при ТА = 80 °С. Вместо експлоатационния срок, често се дава средното време за настъпане на повреда (Mean Time To Failure) MTTF=NxT/F, където N е броят на едновременно работещите при еднакви условия блокове, T e времето на тестване, а F е броят на повредилите се през това време блокове. Например ако 100 блока са тествани да работят едновременно в продължение на 1000 часа и само един се е повредил, то MTTF=100 000 часа.

Регулиране на светлината
Най-често се извършва плавна промяна на нейния интензитет, известно като димиране (dimming), чрез изменение на тока през HBLED. Освен класическите приложения за получаване на светлинни ефекти, напоследък все по-масово то се използва и за реализация на системи за поддържане на желана осветеност на помещения и открити площи при промяна на околната светлина. То не променя експлоатационния срок на HBLED и дори би могло да го увеличи, ако немалка част от времето те излъчват светлина с намален интензитет. Действието на димирането се оценява чрез обхвата на регулиране (Dimming Ratio) DR, представляващ отношение на максималния и минималния интензитет на светлината.
Най-старият и евтин начин за димиране на захранвани от електрическата мрежа лампи е чрез симетричен тиристор, който пропуска през тях променяща се част от полупериодите на мрежовото напрежение. В блоковете за HBLED се прилага разновидността с отстраняване на края на полупериодите (Trailing Edge Dimming, Reverse Phase-Control), дадено на фиг. 3, при което тиристорът се включва при нулево мрежово напрежение и няма импулсни токове. Намаляването на напрежението става чрез електронен трансформатор, представляващ инвертор с честота няколко десетки kHz и миниатюрен, благодарение на нея, високочестотен трансформатор. Това води до означението ELV/Triac Dimming (от Electronic Low-Voltage), въпреки че вместо симетричен тиристор може да се използва диоден мост и тиристор или два MOS транзистора.
Аналоговото регулиране (Analog Dimming, Constant Current Dimming) представлява промяна на тока на HBLED чрез постоянно напрежение, което обикновено е 1-10 V и осигурява ток между няколко % и 100% от максималната му стойност. Последната може да се задава чрез Rset, а в някои блокове може да се фиксира и минималната, например регулиране от 50% до 100%. Предимствата са големият к. п. д. на блока и липсата на променливи съставки в тока, които по принцип могат да повлияят на работата на други устройства, свързани към електрическата мрежа. Основните недостатъци са малкият DR (до 10:1), нелинейното (макар и слабо) регулиране и възможните леки промени на цвета на светлината.
Принципът на регулиране чрез широчинно импулсна модулация (ШИМ регулиране, PWM Dimming) означава подаване на HBLED на напрежение с формата на правоъгълни импулси, които непрекъснато го включват и изключват. За окото светлината не е мигаща, тъй като честотата на импулсите е поне няколко стотици Hz. Интензитетът й е точна линейна функция на коефициента на запълване на импулсите, към което предимство се прибавя големият DR (до 4000:1) и липсата на промяна на цвета на светлината по време на димирането. Недостатъци са сравнително малкият к. п. д. и възможността за създаване на смущения по електрическата мрежа поради импулсите, за чието намаляване е необходимо усложняване и оскъпяване на блока. Полезно е да се има предвид, че значителна част от блоковете са с възможност за аналогово и ШИМ регулиране, като потребителят решава кое да използва.
Съвременен метод е цифровото регулиране (също наричано димиране), при което на блока се подават двоични числа и всяко от тях определя даден интензитет на светлината. Използват се интерфейси от типа DALI и DMX512, предназначени за регулиране на интензитета на светлината на произволни осветителни тела. При първия чрез 8-разредно число се осигуряват 256 нива на интензитета (регулиране 0-100%), като основните приложения са за HBLED с бяла светлина. Предаването се извършва чрез постоянно напрежение 16 V при максимален ток по управляващата линия 250 mA и нейна дължина до 300 m. Другият интерфейс е с още повече възможности, тъй като ползва три 8-разредни числа. В едно от приложенията числата определят интензитета на светлината на червените, зелените и сините LED в осветителното тяло, т. е. силата и цвета на излъчената светлина. Другото основно приложение е за осветителни тела с бяла светлина, където чрез две 8-разредни числа се задават интензитетът на светлината и нейният нюанс, например с цветна температура 2700 К - 6500 К.
Известно е, че при даден ток през HBLED интензитетът на излъчената от него светлина намалява с времето. Поради това са създадени разновидности, които увеличават тока с времето на експлоатация и съответно, представляват блокове с неизменен интензитет (Constant Light Output, CLO), например споменатият Xitanium увеличава интензитета с 1% на всеки 4000 работни часа.

Блокове с неизменен ток
Тази първа голяма група блокове (Constant Current Driver) осигуряват неизменен ток през един набор (String) от последователно свързани HBLED. При тяхно напрежение UF броят им n трябва да се избира така, че величината nUF да е в границите на Vo на модула. Това е известен недостатък, тъй като осигуряването на голяма мощност изисква много HBLED и съответно, голямо Vо.
Структурата и действието на модулите се изясняват чрез обобщената блокова схема на фиг. 4, където VIN обикновено е мрежовото напрежение и твърде рядко от порядъка на няколко десетки V. Филтърът F намалява излъчването към мрежата на нежелани променливи съставки, получени от работата на следващите стъпала, а на входа му е споменатата SP. След мостовия токоизправител REC е задължителното стъпало PFC (Power Factor Correction) за подобряване на cosj. То може да е пасивно за намаляване на цената на блока или активно за cosj максимално близък до 1. Поради естеството на REC той консумира ток само през част от времето, което променя формата на входното напрежение. Тази промяна се оценява чрез THD, който намалява с увеличаване на изходната мощност и намаляване на входното напрежение. Трансформаторът TR е за галванично разделяне на изхода Out и свързаните към него HBLED от входа, което е задължително за блоковете в самостоятелна кутия. Той заедно с изходния токоизправител и филтър DC+F, веригата на обратна връзка FB и блока PWM образува ключов стабилизатор, който по принцип не се различава от използваните в други приложения. Неговото действие определя пулсации в изходния ток (Current Ripple) CR, определяни като процент от Io. Оптронът ОРТ е за галванично разделяне на сигнала на обратната връзка. За осигуряване на неизменен изходен ток стъпалото PWM променя коефициента на запълване на импулсите обратно пропорционално на Io.
Даденото с прекъсната линия стъпало CONTR е само в блоковете с димиране, като на входа CIN се подава постоянно напрежение или сигнали от съответния интерфейс. В голяма част от блоковете стъпалото FB съдържа и защити, с основно предназначение да изключва HBLED, когато температурата във вътрешността му надхвърли определена граница (Thermal Trip) Ttr, обикновено 100-110 °C, но също така и превишаване на даден изходен ток. Сравнително рядко (например в блока в ред 9 на табл. 1) има защита и от изходно напрежение над определена стойност.
В табл. 1 са дадени основните параметри на блокове неизменен изходен ток с фиксирана стойност, като тези в редове 4 и 5 са от български производител. От практическа гледна точка (което се отнася и за следващите типове блокове) е полезно да се знае, че в голяма част от каталозите фигурират препоръчваният тип и сечение на проводниците за свързване към входа и изхода на блоковете.
Съществуват, макар и по-рядко, блокове, чийто изходен ток може да се превключва на 2 или 3 стойности (Switchable LED Driver). Примери са CL1000S-240-A на Harvard Engineering с ток 500 и 1000 mA и мощност 33 W и LED-INTA-700C-140-F-3-O на Philips ADVANCE с ток 350, 430 и 700 mA и мощност съответно 50, 75 и 100 W.
Втората голяма група блокове са с димиране, примери за които са дадени в табл. 2. В рамките на експлоатационния срок на този в ред 4 има вероятност от 5% за настъпване на повреда. Даденият в ред 7 се състои четири еднакви и независими блока, като Ро в таблицата е общата мощност. Специфична особеност на блока в ред 8 е, че чрез външен резистор се избира една от дадените стойности на максималния Io. Някои производители предлагат осветителни системи (Lighting System), представляващи комбинация от захранващ блок и модул на HBLED, пример за какъвто е даденият в ред 9.

Блокове с неизменно напрежение
Тази група (Constant Voltage Driver) осигурява неизменно напрежение на HBLED, а структурата им отново е дадената на фиг. 4. Разликата е само в действието на стъпалото FB, което формира сигнал, пропорционален на Vo. В изхода на блоковете могат да се свързват успоредно m набора от последователно съединени HBLED с еднакво Vо, чийто сумарен ток да не надхвърля максималния ток Iomax=Po/Vo на блока. Наборите могат да са и от различни HBLED, както и да се включват и изключват по време на експлоатацията, което е предимство спрямо блоковете с неизменен ток. Специфичен параметър са допустимите относителни изменения dVo на изходното напрежение, обикновено давани поотделно поради влиянието на входното напрежение и изходния ток. При ползване на блоковете трябва да се има предвид, че за нормалната си работа някои от тях трябва да консумират определена минимална мощност, указвана в каталога. Особеност е, че блоковете обикновено са без димиране, каквито са и дадените в табл. 3. Този в ред 1 е от типа с неизменна изходна мощност (Constant Power Mode). Това означава, че при достигане на максималната Ро не се задейства защита, а Io може да продължи да расте над Iomax, но Vо намалява за запазване на тази мощност. Блокът в ред 5 е с четири еднакви изхода, всеки с мощност 60 W.

Блокове с неизменно напрежение или ток
При доставяна мощност на HBLED по-малка от максималната Ро им те осигуряват неизменно напрежение Vо, а при достигането й преминават в режим на неизменен ток Io=Po/Vo. Това действие отново се определя от структурата на стъпалото FB на фиг. 4. Характерни примери за такива блокове (Constant Current & Constant Voltage) са дадени в табл. 4, като специфично за този в ред 1 e наличието на две ключета, чрез които може да се задава неизменният ток със стойности 1,25 А; 2,5 А; 3,75 А и 5 А. Неизменното напрежение на блока в ред 2 може да се задава в границите от таблицата при максимален ток 2,5 А, а в режим на неизменен ток последният се задава между 1,75 А и 2,5 А. По аналогичен начин, напрежението и токът на блоковете в редове 3 и 4 могат да се задават между 50% и 100% от неизменните им стойности, докато другата величина остава на максималната си стойност. Подобно е и положението с блока в последния ред, но там промяната на напрежението и тока може да се прави едновременно, но до 25%.

Top