Електроника в осветителните системи
Начало > Електроника > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2007
Класическите електрически лампи с нажежаема нишка, използвани в продължение на повече от век, постепенно отиват в историята. Причина за това са недостатъците им, които са във все по-рязко противоречие със съвременните изисквания за икономично и качествено осветление. В някои страни вече са приети законодателни мерки за забрана на продажбата им, например в Австралия от 2010 г. Това е причината в настоящата статия да не се разглежда съществуващата и вече класическа електроника за регулиране на интензивността на светлината им. На практика всички други типове светлинни източници изискват подходящи електронни схеми за нормалната си работа. В добавка, към съвременното осветление се поставят много нови изисквания, чието удовлетворяване също изисква използването на електроника.
В статията е изяснена същността на съвременните методи за регулиране на интензивността, а в някои случаи и на цвета на светлината. Разгледани са основните електронни схеми за осигуряване работата на луминесцентните, халогенните и светодиодните лампи, като основно внимание е обърнато на използваните в тях ИС.
Съвременното осветление
То има само две общи неща с класическото – осигурява светлина и може да се включва и изключва. Много повече са изискванията извън това, но те могат да се обобщят в две основни групи.
Намаляване на разходите на електроенергия, което е важно както от финансова гледна точка на потребителите, така и за запазване на екологичното равновесие в природата. Годишно за осветление в света се изразходват над 2.1012 kWh и ако половината от нея е от ТЕЦ, изхвърленият при производството й СО2 е над 109 тона. Същевременно по-голямата част от тази енергия просто се губи и превръща в топлина.
Осигуряване на подходящ интензитет и цвят на светлината (основно нюансите на белия цвят), които пряко влияят върху работоспособността, умората и настроението. Осветеността на работното място трябва да е в съответствие със съществуващите норми и да се подържа независимо от външното осветление. Например, според някои съвременни схващания, бялата светлина сутрин трябва да е силна и студена, по обед – по-слаба и топла, след обед – пак силна, но вече неутрална и в края на работния ден да е подобна на сутрешната. Обяснението на това е в ободряващото действие на студената бяла светлина и успокояващото на топлата. Съществуват и нормативи за осветеността на работното място в зависимост от неговия характер, например около 500 lx за писмена работа на бюро и около 1000 lx за монтажна дейност.
Нарастваща е популярността на осветителните системи, управлявани от централен компютър. Те не само регулират индивидуално осветеността във всяко помещение, но и могат да я променят по предварително зададена програма. Особено подходящи са за външно и вътрешно осветление на обществени сгради, кина, театри и стадиони.
Регулиране на интензивността
Засега то, заедно с включването и изключването на осветлението, са две от най-често използваните функции на електрониката, които определят наименованието електронни пусково-регулиращи апарати (ЕПРА). При регулирането трябва да се има предвид графиката на фиг. 1 - по нейната абсциса е възприеманата от окото интензивност, по ординатата е реалната (измерваната), а максималните стойности на двете са означени със 100%. Например при реална слаба интензивност от 1% окото я възприема като значително по-голяма (10%). Причината за това е естественото разширяване на зеницата при слабо осветление. Масово разпространеното регулиране на реалната интензивност (димиране, Dimming) в битови помещения е между 10 и 100%, при системи от по-висок клас (големи офиси, заседателни и командни зали, фоайета, болнични стаи и др.) долната граница достига 5, а дори и 1%.
Няколко са съвременните начини за регулиране на интензивността. Аналоговото регулиране (Analog Lighting Control) най-често използва постоянно напрежение между 0 и 10 V (положително или отрицателно) и се означава като 0-10V Lighting Control. Луминесцентните лампи (Fluorescent Lamp) обикновено се изключват при 0 V, при 1 V са включени без да излъчват светлина и при 10 V имат максимална интензивност. Двата проводника за управление може да са тънки и дълги поради малкия ток през тях (около 1 mA). Характерна особеност е, че за всяка лампа трябва отделен (“прав”) проводник, докато “обратният” е общ за всички лампи, т.е. управлението на n лампи изисква n+1 проводника. Възможно е едновременно регулиране на повече лампи (например в едно осветително тяло) по 2 проводника.Тъй като за една лампа се използват и 2 проводника за свързването й към захранващото напрежение наименованието е 4-Wire Control.
Разновидността 3-Wire Control използва единия от проводниците на захранващото напрежение (неутралата при мрежово захранване) като обратен на управлението.
Също за аналогово може да се счита регулирането чрез широчинноимпулсна модулация (ШИМ, PWM), като наличието на импулс означава протичане на максимален ток през лампата, а липсата му – спиране на тока. Честотата на импулсите е няколко десетки kHz, а чрез промяна на коефициента им запълване се регулира интензивността на светлината.
Познатите предимства на цифровото пред аналоговото предаване на информацията са причина за значителното и нарастващо използване на цифровото регулиране. Първият създаден (1986 г.) интерфейс от този тип е DMX512-A. Той осъществява еднопосочна връзка от управляващото устройство към лампата, като използва логическите нива и кабелите на интерфейса RS-485. Скоростта на предаване е 250 kbps и по двупроводна линия могат да се управляват до 512 лампи. Самите импулси са в пакети от 513 байта и един пакет се предава за 23 ms, т.е. смяната на интензивността на светлината може да се прави около 44 пъти в секунда.
През 1991 г. е създаден Digital Signal Interface (DSI), при който със скорост 1,2 kbps се предават 8-разредни числа, обуславящи 256 стойности на интензивността. Адресиране няма, поради което за всяка лампа е необходим отделен активен проводник.
Сравнително новата платформа LonWorks, създадена през 1999 г. за системи за управление, се използва и за регулиране на интензивността на осветлението. При нея информацията по усукана двойка проводници се предава със скорост 78 kbps, а когато за целта служи електрическата мрежа скоростта е 3,6 или 5,4 kbps.
Вероятно най-масово разпространеното цифрово регулиране е чрез интерфейса DALI (Digital Addressable Lighting Interface), вече приет като индустриален стандарт. Той използва самостоятелна двупроводна линия с дължина до 300 m, по която чрез адресиране могат да се управляват до 64 лампи или осветителни тела. В големи сгради се правят до 16 групи от 64 осветителни тела, за всяка от които трябва да има отделна двойка проводници (фиг. 2). Връзката е двупосочна, което позволява управляващият блок да получава информация за управляваните лампи. Интензивността има 255 стойности, като зависимостта й от управляващото двоично число е логаритмична (фиг. 3), но поради особеностите на човешкото око за него тя е практически линейна. Скоростта на обмен на 16-разредните данни в двете посоки е 1,2 kbps, а логическите нива и изискванията към фронтовете на импулсите са на фиг. 4. Освен това логическа 0 представлява преминаването от високо в ниско логическо ниво, а логическа 1 - от ниско във високо ниво.
Сравнително ново е безжичното регулиране, прилагано в две разновидности. Инфрачервеното обикновено се прилага за една лампа или осветително тяло. Значително разпространение има използването на електромагнитни вълни в обхватите 418 и 868 MHz при скорост на предаване 76,8 kbps. Има системи, при които всеки приемник може да улавя сигналите от 16 предавателя, т.е. дадено осветително тяло да бъде управлявано от 16 места.
Луминесцентни лампи (FL)
Приложенията им непрекъснато нарастват (те осигуряват голяма част осветлението в промишлени предприятия и офиси), тъй като за получаване на дадена интензивност на светлината консумират приблизително 3 пъти по-малко електроенергия от лампите с нажежаема нишка. Тяхната тръба е напълнена с благородни газове и живачни пари с ниско налягане, а в двата края има подходящи електроди. В най-голямата част от съвременните FL електродите се нагряват за улесняване на запалването и подържане на разряда. Съществено значение за работата на една такава лампа има свързването й към последователен трептящ кръг (L-C1-C2 на фиг. 5), захранван от напрежение U, представляващо правоъгълни импулси. Те се осигуряват от генератора управляван с напрежение VСО, драйвера DR и полумостовата схема TH-TL. За малки размери и тегло на L резонансната честота на кръга f0 е не по-малка от няколко десетки kHz. Качественият фактор Q зависи силно от съпротивлението на FL и когато тя не е запалена той има значителна стойност – резонасната характеристика с червена линия на фиг. 6а. За включване на FL най-напред (моментът t0 на фиг. 6б) схемата за упрвление CON включва VСО с честотата на предварително нагряване fPRE, значително по-голяма от f0 (точка А на фиг. 6а). Напрежението U обуславя ток през електродите на FL и те започват да се нагряват, а напрежението UL върху FL е достатъчно малко и тя не е запалена. Това е режимът на предварително нагряване (Preheating Mode), по време на който управляващото напрежение UC не променя fPRE. В момента t1 се преминава към режим на запалване (Ignition Mode), напрежението UC започва да намалява честотата, точката А се движи наляво по резонансната характеристика и напрежението върху FL нараства. В t2 то достига UI, а честотата – до fR, лампата се запалва и навлиза в работния си режим (Running Mode). Съпротивлението й рязко намалява (обикновено под 1 kW) и понижава Q – синята крива на фиг. 6а. Напрежението върху FL също намалява, но остава достатъчно за подържане на разряда, а електродите продължават да са нагрети от намалелия ток. Това гарантира нормалната работа на FL при регулирането й за малки стойности на интензивността на светлината.
Постоянното напрежение U0 зависи от типа на FL и при тези с мрежово напрежение (каквато е схемата на фиг. 5) е не по-малко от 300 V. Реално същата е и амплитудата на импулсите на U. Двата MOS транзистора ТН (High Side) и TL (Low Side) образуват полумостова схема (Half Bridge), която осигурява желания ток на FL. Те се захранват от драйвера DR, който от своя страна трябва да осигурява достатъчен ток за бързо презареждане на паразитните им входни капацитети. С прекъсната линия на фиг. 5 е отбелязан входът IN на стъпалото CON, съществуващ само когато трябва да се регулира интензивността на светлината. Това се постига чрез изменение на коефициента на запълване на импулсите през FL. Също с прекъсната линия е резисторът R, поставян за подържане на неизменна интензивност на светлината при променящи се работни условия. Последните изменят тока на полумоста и напрежението върху R променя честотата на VСО до възстановяването му. Стъпалото за корекция на фактора на мощност PFC осигурява фактор на мощността (cosj) на цялата схема, доста близък до 1. При FL с мощност до 10-15 W то понякога не се поставя, тъй като загубите поради лошия cosj не са големи. Токоизправителят REC практически винаги е мостов, а мрежовият филтър EMI не позволява на част от мощните импулси на полумоста да преминават в мрежата и създават смущения.
Схемата на фиг. 5 и многобройните нейни разновидности конструктивно се реализират като модул, наречен електронен баласт (Electronic Ballast) ЕВ или електронен дросел. Той замества класическите стартер и дросел във все по-голяма част от FL. Съществува и опростен вариант на ЕВ без CON и резистора R, а VСО е обикновен генератор на импулси, например реализиран с таймер тип 555.
Транзисторите ТН и TL като правило са с индуциран канал и високоволтови. Тъй като мощността на EL е между десетина W и 150 W, токът им, който е и дрейнов ток на транзисторите, е под 1 А.
Блоковете EMI и REC се реализират с дискретни елементи, а за останалите четири блока има значително разнообразие на ИС, представляващи различни техни комбинации.
Важно изискване към DR е да гарантира, че няма да има едновременно отпушване на двата транзистора по време на смяна на състоянието им. Това се постига чрез т. нар. мъртво време (Dead Time), което е закъснението на отпушване на единия след запушването на другия. Пример за ИС на DR е NCP5181 на ON Semiconductor с основна схема на свързване на фиг. 7. Елементите R1-C1 определят закъснението на отпушване на ТН, а R2-C2 – на TL. Кондензаторът С3 заедно със стъпало от ИС осигуряват достатъчно напрежение гейт-сорс на ТН за запушването му. Захранването на ИС се осигурява от параметричния стабилизатор R3-D2.
Съществуват ИС на драйвери с вграден генератор, чиято структура е подобна на таймера 555. Пример са ИС L6569 и L6569A на STMicroelectronics, различаващи се само по начина на пускане на генератора. Изходите им се свързват към полумоста аналогично на фиг. 7 и могат да осигурят ток до 170 mA. Честотата на генератора се установява чрез външен резистор и кондензатор и се препоръчва стойността й да е между 60 и 200 kHz. Мъртвото време на транзисторите в полумоста е 1,25 ms и се задава от ИС. Подобни са L6571AL6571B на същата фирма. Друг пример са IR21531S и IR21531D на IR, чиято честота е между 50 Hz и 100 kHz, а мъртвото време е 0,6 ms. Транзисторите в изходното им стъпало могат да се захранват с напрежение до 600 V. Възможно е изключване на ИС и FL чрез подаване на постоянно напрежение +2 V на определен техен вход.
Пример за самостоятелна ИС на PFC е L6561 също на STMicroelectronics. Тя работи със захранващо напрежение между +85 и +265 V и изисква външен MOS транзистор, за чийто гейт може да осигури ток до 400 mA. С нея при мрежово напрежение 220 V се осигуряват типични стойности cosj = 0,94 и коефициент на нелинейни изкривявания в мрежовото напрежение THD=5,6 %. Подобна е FAN7527B на Fairchild, захранвана с напрежение между +15 и +30V, но осигуряваща изходен ток до 500 mA.
Стъпалата CON, VCO и DR на фиг. 5 често се реализират като една ИС с наименование контролер за баласт (Ballast Controller) и се разделят на 2 групи – без и с регулиране на интензивността на FL. Те осигуряват трите режима на работа и често имат някои допълнителни възможности. Сред тях са програмиране (задаване) на времето и честотата на предварително загряване и на честотата в установен режим, защита при повреди на FL, автоматично запалване при поставянето й, контролиране на състоянието на двата електрода и предпазването им от повреда, изключване на ИС при нейно захранващо напрежение под определена стойност (Under Voltage Lockout) UVLO.
Характерен пример за ЕВ без регулиране е FAN7532 на Fairchild Semiconductor, чието опростено свързване е на фиг. 8. Вграденият DR с изводи HO и LO е високоволтов (напрежението на изводи VS и VB може да е до 600 V), а чрез кондензатора СВ се осигурява нормалното управление на ТН. Постоянното захранващо напрежение на самата ИС се осигурява чрез параметричния стабилизатор R-ZD. Честотата на предварително загряване е f = 2/(RPHCT), а неговото време е tpre = 1,93CPH [mF], s, докато честотата в установен режим е frun = 1/(RTCT). Входът ОVР е за контролиране на нормалната работа на лампата. В установен режим напрежението между изводите е малко и чрез подходящ блок (не е показан на фиг. 8) се следи неговата стойност. При изтощена или повредена лампа напрежението нараства и на вход ОVР се получава напрежение над +2 V, което задейства вградената й защита за изключване на управлението на полумоста. Подобно е предназначението на извод OLP, но той е за защита на ИС при прекъсване на веригата на работеща FL (поради повреда или замяна с друга). Аналогична е ИС FAN7532 на същата фирма, но при нея липсват входовете ОVР и OLP, за сметка на което е с по-малък корпус.
За по-нататъшно намаляване на размерите на ЕВ се произвеждат ИС включващи CON, VCO, DR и PFC (без външния му мощен MOS транзистор). Характерен пример е ICBB1FL02G на Infineon, която освен различните програмирания има и вградени блокове за откриване на неизправности в FL. Последното се осигурява чрез свързване на вход LVS1 през резистор към напрежението UFL на FL, като при нормална негова стойност (изправна FL) токът във входа е до 0,2 mA. Увеличаване на тока над 0,215 mA за повече от 0,61 ms задейства съответното стъпало в ИС и FL се изключва. От друга страна при влошаване на параметрите на лампата положителната и отрицателната амплитуда на нейното напрежение стават различни, което също води до нарастване на тока в LVS1. Отношение на амплитудите около 1,15 обуславя достатъчно голям ток за задействане на защитата. В ИС има и максималнотокова защита, подобна на ключовите стабилизатори – в сорса на MOS транзистора на PFC се поставя резистор и се свързва към вход PFCCC. При ток над допустимия напрежението върху него надхвърля определена стойност и ИС се изключва.
Подобни са възможностите на L6585D на STMicroelectronics, но тя допълнително притежава R на фиг. 5. При нежелана промяна на тока и съответно на напрежението върху него честотата frun се изменя (точка В на фиг. 6а се придвижва по синята крива) така, че да компенсира промяната. В противен случай при прекомерно увеличаване на тока трансформаторът в блока PFC ще се насити и неговият мощен транзистор ще се повреди.
Специфични особености на L6832D на STMicroelectronics са цифровият изход за индикация на задействането на максималнотоковата защита и вграденият стабилизатор с напрежение +3,3 V. Той може да се използва за захранване на микроконтролера в ЕВ, с което се спестява една ИС.
Съществуват ИС с възможност за регулиране на интензивността на светлината чрез постоянно напрежение, например IR21592. Регулирането се постига чрез промяна на фазовата разлика j на тока на FL спрямо напрежението й, като интензивността е обратно пропорционална на j. За следене на тока резисторът R на фиг. 5 е задължителен, постоянното напрежение за регулиране чрез специален извод се подава на блока CON в ИС. То се променя между +0,5 и +5 V, на което съответства линейно изменение на фазата от приблизително -90° до около -60° и на относителната интензивност от няколко % до 100%.
Компактни луминесцентни лампи CFL
Йонизираният газ в тях излъчва ултравиолетова светлина, тя попада върху луминофорното покритие на тръбата и от него се излъчва бяла светлина. Конструктивно CFL се отличават с тънка извита тръба (или тръби), което определя малките размери. Енергоспестяващите лампи (Energy-Saving Bulb) са CFL с вграден ЕВ, предназначени за непосредствена замяна на класическите електрически лампи.
Блоковата схема на ЕВ за CFL представлява опростен вариант на фиг. 5. За постигане на малки размери и цена мрежовият филтър EMI е твърде прост (обикновено бобина и кондензатор), а може и да липсва, токоизправителят REC нерядко е само с един диод и в много случаи стъпалото PFC също не се поставя.
Сравнително малко са ИС за отделните стъпала на фиг. 5. Пример е драйверът VK05CFL на STMicroelectronics, който съдържа и един мощен MOS транзистор, т.е. за полумостовата схема са необходими две ИС без външни транзистори. Предимство е възможността за реализация на самоосцилиращи драйвери, с което ЕВ допълнително трябва да съдържа само EMI и REC. Параметрите на ИС позволяват ЕВ да се захранва от мрежата и работи с CFL до 30 W.
С много по-голямо приложение са ИС, които включват блоковете CON, VCO и DR на фиг. 5. От този тип е IR2156 с максимален изходен ток 500 mA за гейтовете на двата MOS транзистора. Свързването на външни елементи към изводите за управление е на фиг. 9, като с RT се задава минималната честота на VСО, с RPH и СРН – съответно честотата и времето на предварително загряване и с СТ – честотата в установен режим.
С възможности за програмиране е FAN7711 на Fairchild, но тя има вграден блок UVLO и такъв за превключване в нулата (Zero Voltage Switching, ZVS). Последният работи само в установен режим и променя мъртвото време така, че мощните MOS транзистори да сменят състоянието си в моментите на преминаване през нулата на напрежението на CFL. Това осигурява твърде малки смущения и позволява реализация на ЕВ без блок EMI.
По-нататъшна стъпка в намаляване на размерите на ЕВ е FAN7710. В ИС са вградени и двата транзистора на полумоста, с което ЕВ съдържа само 17 дискретни елемента, два от които са за програмиране на честотата на VСО и времето за предварително загряване. С ИС могат да се захранват CFL с ток до 800 mA.
Описаните вече възможности за програмиране съществуват и в ИС ML4835 на Micro Linear, но тя съдържа и контролер за PFC, с което ЕВ има cosj і 0,99 и малки амплитуди на създаваните в мрежата хармоници. Съществена особеност е регулирането на светлината чрез интерфейса 0-10V, идея за което е дадена на фиг. 10. Регулиращото напрежение постъпва в интерфейсното стъпало DI (пълната му принципна схема е дадена в каталога на ИС) и след филтъра F (схемата също е в каталога) достига до вход LFB. Последният чрез блока CON в ИС осигурява промяна на тока на CFL и съответно на интензивността на светлината.
Компонии, класически производители на електрически осветителни източници, също разширяват дейността си в създаването на ЕВ. Характерен пример е Osram, която предлага ЕВ за FL и CFL, управлявани чрез интерфейса DALI. Тези за CFL могат да регулират интензивността на светлината между 3 и 100 %на 1-4 лампи и имат експлоатационен срок 50 000 часа.
Използване на микроконтролери
То става все по-популярно за реализиране на блоковете CON и VСО, като напоследък започна и използването на цифрови сигнални контролери (DSC). По този начин чрез подходящо програмиране се създават множество допълнителни възможности за регулиране на интензивността на светлината, например автоматичната й промяна в определен ред. За управление на лампите чрез интерфейса DALI практически са задължителни микроконтролер или DSC. Освен това е необходимо галванично разделяне на проводниците за управление от останалата част на схемата на ЕВ. Специфична възможност е и използването на преобразуватели RS-232 Ы DALI за осигуряване на управление от компютър.
На фиг. 11 е дадена идея за управление с микроконтролера PIC16С628 на Microchip. Блокът ОС съдържа оптрони, а OS е изходното стъпало (полумостът, трептящият кръг и FL на фиг. 5). По шина А се подават сигнали за управление на интензивността и включване и изключване на FL, тези по шина В носят информация за реалното ниво на интензивността и за моментното състояние на ЕВ и по шина С – за настъпила повреда в FL.
Не са малко фирмите, които предлагат специализирани микроконтролери (обикновено 8-разредни) за ЕВ. Сред тях е ST7DALI на STM, който позволява два начина за регулиране. Единият е използването на някой от четирите му PWM изхода и получаване чрез филтър на постоянно напрежение за управление на полумоста. Другият е използване за връзка между шината DALI и регулатори 0-10V.
Компанията Atmel предлага микроконтролерите AT83EB5114 и АТ89ЕВ5114 само за ЕВ, както и универсалните AT90PWM3 и AT90PWM316, които могат да се използват и за управление на електродвигатели.
Два са микроконтролерите на Freescale Semiconductor. За регулиране на интензивността на светлината на две успоредно свързани FL е предназначен МС68НС908LB8 (означаван и като RDHC908LB8LIGHT), докато RDCH908KX8DALI е за управляване на 12-волтови FL с мощност до 10 W чрез интерфейса DALI.
Фамилията микроконтролери 78K0/K0S на NEC Electronics освен многобройните други приложения може да се използва и в ЕВ, включително за регулиране на интензивността на светлината.
Халогенни лампи
Те съдържат смес от аргон, живачни, йодни и бромови пари и халогенни метали с високо налягане (500-600 kPa), като видът на последните определя цвета на светлината. Газът в светещата лампа е йонизиран, което налага поставяне на ЕВ за ограничаване на тока й подобно на FL. В съвременната разновидност халогенни лампи с голяма интензивност (High-Intensity Discharge Lamp) - HID лампи газовете са с още по-голямо налягане и по-силно нагрети. Подържането на неизменен ток и в двете разновидности осигурява стабилен цвят на светлината и удължава експлоатационния срок на лампите. Специфична особеност са по-големият к.п.д. в сравнение с FL и рядкото регулиране на интензивността на светлината.
Типична схема на ЕВ за HID лампи е дадена на фиг. 12, като стъпалото PFC не винаги се поставя. С Buck е означен понижаващ преобразувател на постоянно в постоянно напрежение, който осигурява Uo за мостовата схема с MOS транзистори и самата лампа. Всяко от рамената на моста се захранва от драйвер (DR1 и DR2), управляван с импулси от CON. Драйверите са високоволтови ИС, обикновено използвани само за лампи и/или за управление на електродвигатели, както и за ключови стабилизатори. Значителна част от тях могат да се използват и за управление на IGBT. Пример е FAN73832 на Fairchild Semiconductor, която може да работи със захранващо напрежение до 600 V, осигурява изходен ток до 350 mA и възможност за програмиране на мъртвото време.
Самоосцилиращите драйвери съдържат и CON, което опрестява структурата на ЕВ. Пример е IRS2453D на IR с вграден таймер, подобен на тип 555 и два драйвера, което позволява управляване на моста с една ИС.
Друг тип са електронните трансформатори (Electronic Transformer, Halogen Convertor), които преобразуват мрежовото напрежение в ниско (обикновено около 12 V) с висока честота (около 50 kHz). Съществуват специализирани ИС с вграден генератор и възможност за следене на тока на лампата, например IR2161.
Компанията Osram предлага ЕВ с възможност за регулиране на интензивността на светлината чрез интерфейса DALI на HID лампи с мощност между 35 и 150 W. Работната честота на тези ЕВ е няколко десетки kHz, а разсейваната върху тях мощност е под 10 W.
Значителни са приложенията на HID лампите захранвани от малко постоянно напрежение, най-често от акумулатори. Чрез ключов стабилизатор (обикновено Flyback Convertor) напрежението се повишава за получаване на Uo на фиг. 12, а останалата част на схемата е същата. Управлението на стабилизатора и моста се извършва от ИС на контролер (HID Lamp Controller), пример за каквито са UCC2305 и UCC3305 на Texas Instruments. В управлението на HID лампи вече участват микроконтролери и DSC. Характерни примери са PIC16C785 и dsPIC DSC SMPS на Microchip.
Светодиодни лампи
Тъй като силата на светене на светодиодите е право пропорционална на постоянния им ток, подържането й изисква захранване с генератор на ток. За регулиране на интензивността най-удобно е токът да представлява еднополярни правоъгълни импулси с достатъчно висока честота (няколко десетки kHz) и изменяем коефициент на запълване, което обикновено се постига с неизменна честота и PWM.
Идея за структурата на захранване на светодиодни лампи от електрическата мрежа е дадена на фиг. 13, като Buck отново е понижаващ ключов стабилизатор, а изходното стъпало OS се реализира с един MOS транзистор или е полумостова схема. Чрез вход IFB се подържа неизменен токът на светодиодите, а импулсите за регулиране на интензивността постъпват на вход REG.
Значителна част от ИС за светодиодни лампи са високоволтови и съдържат контролера на блока Buck и евентуално някои допълнителни стъпала за регулиране на светлината. Предназначението на IRS2541 е за задействане на полумостовата схема в OS. Тя работи с напрежения до 600 V, има максимален изходен ток 500 mA и работна честота до 500 kHz.
Съществено предимство на светодиодните лампи е възможността и за промяна на цвета на светлината чрез подходящо монтиране на червен, зелен и син светодиод и независимо изменение на интензивността на всеки от тях. За целта особено подходящи са ИС с 3 или повече изхода и независимо регулиране на всеки от тях. Например TLC5922 на Texas Instruments е с 16 изхода, всеки от които може да осигури ток от 80 mA. За захранване на по-мощни лампи паралелно се свързват няколко изхода. Токът на изходите се регулира със 128 стойности чрез сериен цифров интерфейс, а максималната му стойност се задава чрез резистор. Освен за осигуряване на неизменен ток ИС може да се използва и като стабилизатор на напрежение. Подобни са TLC5923 и TLC5924.
Важно място в управлението заемат и микроконтролерите. Схема с PIC16HV785 на Microchip, позволяваща цифрово управление на интензивността на светлината е дадена на фиг. 15. Микроконтролерът PIC12HV615 е с 3 изхода и позволява регулиране и на цвета на светлината (фиг. 16).
Модулите с неизменен ток на Osram могат да захранват светодиодни лампи с мощност до 60 W и да регулират интензивността и цвета на светлината им чрез интерфейса DALI.
Съществуват множество нисковолтови модули, захранвани с постоянно или постоянно и променливо напрежение. На фиг. 18 е дадена схемата на такъв модул, реализирана с ИС ZD850 на Zywyn. Тази ИС може да захранва LED лампи с ток до 1,5 А и мощност до 15 W.
Стефан Куцаров
Вижте още от Електроника
Новият брой 8/2023
