Захранващи блокове/драйвери за LED осветление

Стефан Куцаров

В бр. 5/2017 г. на списание Инженеринг ревю бяха разгледани новостите в интегралните схеми на драйвери и контролери за LED осветление, чиито приложения са основно за вгражданата в осветителните тела електроника и за реализацията на самостоятелни захранващи блокове, наричани и драйвери (LED Driver), с изход за последователно свързани LED. Именно на захранващите блокове, вече масово използвани в осветителната техника, е посветена настоящата статия.

Според околната среда, за която са предвидени блоковете, има такива за работа в помещения (Indoor Lighting), означени в таблиците на статията като “вътрешни”, и за работа на открито (Outdoor Lighting) с означение “външни”. Съществуват и модели “за вграждане”, които са без кутия. Най-масово разпространени са захранваните от електрическата мрежа, без да се омаловажава значението на ползващите нисковолтови постояннотокови източници, чиито приложения постепенно нарастват, като по своята същност и двата типа са ключови стабилизатори (Switching Power Supply, Switched Mode Power Supply, SMPS) с избирана от производителя разновидност. Съществени причини за широкото им разпространение са улесняването и ускоряването на изграждането на осветителни мрежи, по-простото им поддържане, тяхното лесно разширяване и модернизиране.

Драйвери с неизменен изходен ток за променливотокови мрежи
Те са най-голямата група (Constant Current Driver, CC Driver), тъй като осигуряват неизменен ток на LED и съответно постоянен интензитет на излъчваната светлина. Част от моделите имат възможност и за работа с постоянно входно напрежение без никакви допълнителни промени. Характерни приложения на драйверите от категорията “вътрешни” са в търговски и жилищни помещения, учебни зали, складове, за декоративно осветление и др. Драйверите от категорията “външни” се използват за улично осветление (Street Lighting), осветяване на големи площи (Wide-area Downlight), често и за индустриални помещения (Industrial Lighting).

Основни параметри. Първата им група е свързана с изхода и включва изходната мощност (Rated Power) P_OUT, изходния ток (Rated Current) I_OUT, точността на поддържането му (Current Accuracy) ΔI_OUT и обхвата на изходното напрежение (Output Operating Voltage Range) V_OUT. Не трябва да се забравя класическата зависимост на I_OUT на нормално работещ блок от околната температура (Derating Curve), която показва намаляването на тока над определена нейна стойност. Неизбежно съществуващите променливи съставки в изходния ток и напрежение се отразяват по различен начин – обикновено чрез пулсациите на изходния ток (Current Ripple) CR или сумата от пулсациите на напрежението и насложения върху него шум (Ripple&Noise) V_R&N. Последният параметър от групата е времето на установяване на напрежението при включване на блока (Setup Time) t_s.

Втората група са свързаните с входа параметри, първият от които е обхватът на входното напрежение (Input Voltage Range) V_IN. Важно е да се има предвид, че част от блоковете работят само с променливо напрежение, при което към неговите стойности се прибавя АС, докато другата част (все по-нарастваща) са и за постоянно напрежение (към стойностите му се прибавя DC). При ползване на последното трябва да се спазват указанията в техническата документация за осигуряване на правилно свързване на блока към него. Други параметри от групата са входният ток (Input Current) I_IN в установен режим и определено входно напрежение, входният ток на включване (Input Inrush Current) IRUSH и ефективността (Efficacy) Eff със същото значение, както при класическите SMPS.

Специфична особеност е, че освен класическият работен температурен обхват ТА заедно или вместо него в част от блоковете се дава максимално допустимата температура ТС на определена точка от корпуса им (обикновено означавана на фигура в каталога), като в последния случай не се споменава минималната работна температура. Вероятната причина за това е, че в реалните условия на работа тя не се достига. При ползване на параметъра MTBF, който не се различава от този на другите електронни прибори, трябва да се обръща внимание при каква околна температура е в сила неговата стойност.
Регулиране на I_OUT (димиране, Dimming). То е налично само в част от захранващите блокове, целта му е промяна на светлинния поток на LED и съществуват два начина за осъществяването му. Първият е аналоговото, което от своя страна има няколко разновидности.

При фазовото димиране (Phase Dimming) се въздейства на променливото входно напрежение чрез входното напрежение на блока, начините за което са показани на фиг. 1а. Регулирането по време на нарастването на синусоидата (лявата времедиаграма) се нарича и Leading-Edge Dimming и на ползващите го блокове може да е поставен левият маркер от фиг. 1б. Дясната времедиаграма и средният маркер от фиг. 1б се отнасят за регулиране чрез намаляващата част на синусоидата,като другото му наименование е Trailing-Edge Dimming. Съществуват димери, ползващи едновременно двете възможности (Leading&Trailing-Edge Dimming) и носещи десния маркер.

Втората разновидност на димиране е известна като 1-10 V, тъй като минималната задавана стойност на светлинния поток е между 1 и 10% от максималната (в зависимост от модела на димера) и 100% от нея, като тази промяна се осигурява чрез постоянно напрежение 1-10 V. Съответната графична зависимост е определена от стандарта IEC60929.
Други разновидности на аналоговото димиране са чрез резистор (Resistance Diming, RD), чието съпротивление определя стойността на IOUT и чрез импулснокодова модулация (PWM Dimming), при която токът на LED е правоъгълни импулси с регулируем коефициент на запълване. Не са рядкост модулите, ползващи повече от един от начините за димиране, например 3 in 1 dimming включва и трите и се означава като 1-10V/PWM/Resistance (например дадения на ред 4 от табл. 1).

Вторият начин е цифровото регулиране на светлинния поток и той не се използва едновременно с предните. Най-често цифровото регулиране се осъществява чрез специализирания интерфейс DALI, като промяната на IOUT е в границите 0,1% - 100% в съответствие с установена от IEC62386 зависимост (тя отчита особеностите на възприемане на потока от човешкото око). Използват се и интерфейсите Bluetooth, DMX, UART и Zigbee, като необходимата за работата им електроника е вградена в блока. Като самостоятелни прибори съществуват конвертори за преобразуване на данни от DALI в PWM сигнал – пример е DALI-PWM Signal Converter на производителя TCI.

Защити. Те са три типа, първият от които е защитата от електрически величини, позната от множество други електронни прибори. Тук влизат защита от претоварване (IOUT над определена стойност - Overload Protection, Overcurrent Protection) с означения OLP и OCP, от късо съединение на изхода (Short Circuit Protection) SCP, от характерните за осветлението отскоци на VOUT (Overvoltage Protection, Surge Protection) OVP и от липса на товар (Output Open Loop) OOL. Особено полезна е разновидността Hiccup Mode Operation на OLP и SCP, при която контролерът на блока след изключване на товара проверява през определени интервали от време дали причината за задействане на защитата е отпаднала и съответно възстановява нормалната работа.

Резултатът е намаляване на загряването на блоковете в сравнение с класическото действие Auto Recovery. За блоковете с галванична изолация между входа и изхода съществен параметър е максимално допустимото променливо напрежение между тях (AC RMS Isolation Voltage, Withstand Voltage) V_I/P-O/P и вградената защита не позволява надхвърлянето му. Все повече от новите модели съдържат и защити от импулсно напрежение между фазата и нулата на мрежата (Surge Capability L-N) и на всеки от тези проводници спрямо земя (Surge Capability L/N-Ground), които също се задействат при надхвърляне на максималната му стойност.
Вторият тип е защита от надхвърляне на определена температура, т. е. от прегряване (Over Temperature Protection) OTP, като в някои модели нормалната работа автоматично се възстановява след премахване на причината за задействането й и намаляване на температурата до определена стойност.

Последният тип защита е срещу въздействия на околната среда (IP Code), но тя не е задължителна. Захранващите блокове трябва да имат и защита според Isolation Class I или Isolation Class II на IEC 61140, която да съответства на тази на ползващите ги осветителни тела.
Характерни СС драйвери. С малки изключения те се предлагат като серия с фиксирана POUT или с дадени нейни граници и с различни IOUT и VOUT. Типични примери са в табл. 1, като втората колона съдържа и вида им. Някои производители предлагат разновидности на даден модел с различни възможности за регулиране на IOUT – пример е този на ред 4, едната от които е с 1-10V и PWM при степен на защита IP67, а другата е с вграден потенциометър и IP65.

Предлагат се, макар и не много, блокове без кутия за вграждане в апаратури – пример е даденият на ред 1. Също сравнително рядко се предлагат модели с два изхода и различни напрежения, които могат да се ползват едновременно от различни набори LED – такива са дадените на ред 13 и LF2200 на MAG Tech Industries. Българският производител Vivalux предлага серията SMPD LED Driver от 4 модела захранващи блокове с метален корпус, POUT=100, 150, 200 и 250 W, VOUT=12V и TA=-20ё+50°C, последният от които осигурява IOUT=20,8 A. Съществуват и блокове с второ постоянно изходно напрежение за общо предназначение (не за захранване на LED), пример за които е SAE1 Series от 4 модела на компанията FSP.

Драйвери с неизменен изходен ток за постояннотокови нисковолтови мрежи
Постепенното разрастване на постояннотоковите мрежи с ниско напрежение обуславя наличието на захранващи блокове за свързваните към тях LED. Те се използват както за вътрешно (насочено, за лунички, мебелно), така и за външно (улично, аварийно – Security Light, в тунели) осветление. Тук не се използват част от параметрите на променливотоковите мрежи, което се вижда от сравняването на табл. 1 и табл. 2, а защитите обикновено са по-малко.

Практическа особеност на този тип драйвери е необходимостта от свързан в изхода на кондензатор с давани в документацията тип и капацитет. В някои модели (например тези с представители на редове 2 и 4 от табл. 2) е вградена защита от недопустимо малко входно напрежение (Under Voltage Lock Out) UVLO, а повечето (редове 1-3) имат извод ON/OFF за включване и изключване. При регулиране на IOUT чрез постоянно напрежение зависимостта е линейна. Особеност на серията блокове на ред 3 е възможността за едновременно регулиране на IOUT по два начина.

Драйвери с неизменно изходно напрежение за променливотокови мрежи
По своята същност те (Constant Voltage Driver, CV Driver) са класически постояннотокови стабилизатори, чиято опростена в сравнение с СС драйверите структура определя по-ниската им цена, по-малки размери и тегло. Към последните две предимства се прибавя опростеният монтаж (фиг. 2 за драйвера на ред 1 от табл. 3), поради което е значителен относителният дял на драйверите за вграждане в осветителни тела. За използване в последните и по принцип за всякакви ограничени пространства нараства относителният дял на “тънките” драйвери (Low Profile Design), примери за каквито са тези на редове 2 и 6 от табл. 3, и на миниатюрните (ред 3).

Фиксираното VOUT на СV драйверите определя спецификата на приложенията им – за захранване на набори от LED, предназначени за тяхното напрежение, но имащи различна POUT. Драйверите се ползват за външно и вътрешно осветление – декоративно, в офиси, хотели, ресторанти, музеи, здравни заведения, за сигнализация (LED Signage), диодни ленти, скрито осветление (Cove Light) и др.

Не съществуват принципни различия между параметрите на СV и СС драйверите, но сравнително по-рядко се ползва регулиране на VOUT в сравнение с това на IOUT. Един от малкото примери за последното е драйверът на ред 7 от табл. 3. Увеличава се ползването на интерфейси – освен модели с DALI (ред 4) вече се появяват такива с безжичния Bluetooth Low Energy (BLE), какъвто е даденият на ред 5 на табл. 3 (на пазара от януари 2018 г). Специфична област са лентите с червени, зелени и сини LED (RGB LED Module) и тези с добавени бели (RGBW LED Module), които изискват драйвери с 3 или 4 изхода (Multichannel Topology) и възможност за независимо димиране на свързаните към всеки от тях LED. Пример за първия тип е OT DMX RGB DIM на компанията Osram, осигуряващ на всеки изход 9,5V-25V и 2 А с димиране чрез интерфейса DMX.

Драйвери с неизменно напрежение/неизменен ток 
В каталозите те се означават като C.V.+C.C. Mode, CC/CV Output или Constant Current/Constant Voltage, а като български термин може да се използва СV/СС драйвер. Принципът на действието им се изяснява чрез волтамперните характеристики (I-V Curve) ВАХ на фиг. 3, които са на драйверите от ред 3 от табл. 4. Хоризонталният участък на всяка от тях е режимът СV, в който драйверът осигурява неизменно изходно напрежение VOUT, представляващо един от основните параметри. В него изходният ток е различен в зависимост от броя и вида на свързаните LED. Достигането му до максималната стойност IOUTmax, също основен параметър, означава получаване на най-голямата изходна мощност POUT=VOUTIOUTmax и автоматично преминаване в режим СС (вертикалният участък на ВАХ). В него изходното напрежение е по-малко от това в режим СV, зависи от LED и възможните му граници също са параметър.

Моделът на ред 1 в табл. 4 и останалите от серията са без кутия и съответно предназначени за вграждане, серията на ред 2 притежава три начина за регулиране на IOUT в режим СС, а даденият на ред 4 освен регулирането на IOUT в същия режим чрез напрежение 1-10 V има и микроключета за допълнително регулиране.
Описаният класически тип СV/СС драйвери осигурява даваната като параметър POUT само теоретично в момента на смяна на режима на работа, а реално получаваната винаги е по-малка. Осигуряване на POUT в определена област на изходните напрежения и токове се постига чрез технологията Constant Power Design, предлагана главно от производителя MOSO Power Supply Technology.

Извън тази област остават режимите СV и СС, поради което може да се използва терминът СV/СР/СС драйвери. Пример за тяхната ВАХ е даден на фиг. 4, която е на фирмените модели LDP-320M230 и LDP-320R230. Долният й хоризонтален участък е за СV с минималното напрежение 120 V и ток 0,21–2,1 A, а левият вертикален е за СС с ток 0,2 А и изходно напрежение 120-230 V. Горният хоризонтален участък отново е СV с напрежение 230 V и ток между 0,21 и 1,39 А, като при последния се достига POUT=320 W и драйверът преминава в режим СР, където тя се поддържа до 2,1А/152V. При опит за консумиране на по-голям ток драйверът отново преминава в СС. Освен показаните на фигурата драйвери серията съдържа още три с различни V_OUT, един от които е с 235-457 V.