Типы источников питания для светодиодов. Источники питания для светодиодных светильников: особенности применения

Осветительные приборы, в которых стоит обычный светодиод, сравнительно недавно стали использоваться для создания искусственного декоративного освещения помещений. Это новое направление зарекомендовало себя, как очень перспективное, широко использующееся не только в интерьерах, но также и для яркой эффектной подсветки архитектурных и ландшафтных объектов. Для того, чтобы потребление энергии было минимальным, а светоотдача максимальной, рекомендуется использовать мощные светодиоды, купить которые в Москве предлагает наша компания.

Какие источники тока стоит купить для мощных светодиодов

Для того, чтобы мощный светодиод работал стабильно и без перебоев, необходимо обеспечить его постоянным питанием через источник тока, которые еще называют драйверами. Устройства предназначены для питания светодиодных цепей и модулей с высоким значением мощности, и работают под постоянной высокой нагрузкой. Источники тока для мощных светодиодов уменьшают значение тока в электросети до заданного значения, тем самым обеспечивается бесперебойное освещение, безопасность эксплуатации и долгий срок использования всей системы.

Источник тока для мощных светодиодов – простой, обычный и небольшой по габаритам прибор, который необходим для того, чтобы обеспечить питание электронных приборов, для которых характерна работа на постоянном токе. Эти устройства поддерживают определенное значение выходного тока и мощности. Источники тока нужны для обеспечения бесперебойной работы мощных светодиодов, прожекторов модулей.

Для источников тока для мощных светодиодных устройств и модулей характерно стабилизированное значение тока на выходе. Источники работают в мощных мультикристальных светодиодных системах, с большими значениями мощности.

Как выбрать и купить источники тока для мощных светодиодов

Блоки питания для светодиодных источников освещения высокой мощности выбираются исходя из определенных параметров:

• Значение тока на выходе. Источник тока на выходе имеет определенное значение тока, которое является постоянным и не изменяется в процессе эксплуатации. Драйвер может работать и при токе, отличном от допустимого. Если ток будет меньше номинального, то освещение будет не очень ярким. Если же значение тока на выходе будет больше, чем допустимое, то в этом случае освещение будет очень ярким, но оборудование будет перегреваться, за счет чего срок эксплуатации устройства значительно сократится. Именно поэтому не стоит превышать допустимое значение тока на выходе.
• Максимальное значение мощности на выходе. Оно показывает максимальную нагрузку, которую может выдержать драйвер. Однако не стоит нагружать его до верхнего предельного значения, так как в этом случае высока вероятность перегрева устройства, из-за чего снизится срок эксплуатации.

На сегодняшний день у нас можно найти большой ассортимент драйверов для мощных светодиодов. Во всех этих устройствах значение тока не меняется, изменяется лишь значение напряжения на выходе в зависимости от подключаемой нагрузки. Корпус источника тока для мощных светодиодов может быть выполнен из пластика или алюминия.

Все источники тока, которые купить предлагает наша компании, можно классифицировать по принципу исполнения корпуса:

• Герметичные. Их применяют для работы на открытой местности или в помещениях с повышенным уровнем влажности и пыли.
• Негерметичные. Они предназначены для работы в сухих закрытых помещениях.

В настоящее время у нас представлено большой ассортимент различных источников тока. Существуют универсальные драйвера, которые рассчитаны на неопределенное число светодиодов, главное, чтобы мощность источника тока не превышала суммарную мощность всех подключенных светодиодов. Также можно найти источники тока, которые рассчитаны на определенное число диодов.

КПД универсальных источников тока для мощных светодиодов немного меньше, чем у обычных драйверов из-за особенностей их схемы. Источники тока с определенным числом диодов выполнены со встроенной защитой от перегрузок. Но если подключить к ним меньшее число диодов, то, вероятнее всего, защита сработает и система выдаст сообщение об аварии.

При эксплуатации драйвера следует соблюдать некоторые правила, чтобы система нормально работала на протяжении всего срока эксплуатации:

• Подключение источника тока к питающему напряжению должно происходить непосредственно под нагрузкой.
• Светодиоды, подключенные к источнику тока, должны иметь достаточное охлаждение, особенно если планируется использовать дополнительный ток.

В нашем магазине работают опытные консультанты, которые подскажут все необходимые параметры для Ваших потребностей, помогут правильно рассчитать мощность устройства для конкретного оборудования и определиться с выбором модели блока питания.

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.

Судя по комментариям, многих людей интересуют не только параметры светодиодных ламп, но и теория их внутреннего устройства. Потому я решил немного поговорить об основах схемотехнических решений, чаще всего применяемых в этой области.

Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д.

Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока.

К слову, о белых светодиодах

Понятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое - это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик:

Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее .

Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется. Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер. Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов. Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции. При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» - код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.

ВАХ белого светодиода.

Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» - микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» - решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512 , определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.

Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом.

Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току.

Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже.

Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.

1. Конденсаторный балласт

Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так:

Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод.

Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше).

Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.

Считая по формуле из учебника , легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.

Лирическое отступление

«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее - сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву "μ" с оторванным хвостиком.

Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF , и никак иначе!

Кроме того, «Фарад» - мужского рода , так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!

Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.

2. Бестрансформаторная понижающая топология

Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии. Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC , преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов. В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).

Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже.

В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).

Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания. Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле. В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума, схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется. Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.

Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц).

На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье.

Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.

3. Обратноходовый преобразователь

Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временны е параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.

Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.

Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности.

Лирическое отступление

Обратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.

Немного о пульсациях

Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц). Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.

Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор. Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы. Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра. Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить).

Пожалуй это все, что в первом приближении можно сказать на тему электроники светодиодных ламп. Надеюсь, что этой статьей я в какой-то мере ответил на все вопросы схемотехнического толка, которые были заданы мне в комментариях и личных сообщениях.

Несмотря на объективные проблемы с внедрением светодиодного освещения, все больше предприятий занимаются разработкой и производством полупроводниковых осветительных приборов. Научно-производственная фирма «Плазмаинформ» вышла на этот рынок в 2010 г. и в настоящее время позиционирует себя разработчиком и серийным производителем источников тока для светодиодных светильников.

Источники питания (ИП) светодиодов - важнейшая часть полупроводникового светильника, во многом определяющая функциональные, светотехнические показатели и надежность осветительного устройства. Для компаний, занимающихся проектированием и установкой систем освещения, помимо светового потока и цветовой температуры важны и такие характеристики, как электробезопасность, КПД, коэффициент мощности, коэффициент пульсаций светового потока, электромагнитная совместимость и стоимость. В результате сотрудничества НПФ «Плазмаинформ» с рядом предприятий, разрабатывающих и производящих осветительные приборы, появились на свет и были запущены в серийное производство источники тока открытого исполнения, обеспечивающие электрические мощности 15, 20, 30, 35, 50 и 100 Вт.

Анализ ИП для светодиодных светильников, выпускаемых рядом фирм, показывает, что схемотехника источников тока определяется требуемой выходной мощностью светильника: если она менее 60 Вт, то обычно выбирается обратноходовой корректор коэффициента мощности (ККМ) со стабилизацией выходного тока. При более высокой выходной мощности используется отдельный ККМ и отдельный преобразователь со стабилизацией выходного тока и гальванической развязкой вход/выход, выполняемый по схемотехнике обратноходового, прямоходового или резонансного LLC-типа. Преобразователи без гальванической развязки (понижающего типа, SEPIC и др.) с точки зрения обеспечения безопасности при эксплуатации светодиодных светильников не имеют широкого распространения.

При разработке большое внимание было уделено таким параметрам, как пульсации выходного тока, электромагнитная совместимость (ЭМС) и стоимость. Выбор пульсаций выходного тока, определяется требованиями к пульсациям светового потока, которые регламентируются стандартами и составляют для светильников общего назначения 10–20%, а для настольных светильников при длительной работе за компьютером - 5–10%. Для уличных светильников пульсации светового потока не регламентированы и должны задаваться для каждого конкретного применения.

Учитывая, что светильники могут подключаться к электрическим сетям достаточно большой протяженности, к которым может быть подсоединено сильноточное оборудование, источники питания должны выдерживать испытательное напряжение 1,5 кВ провод–провод и провод–корпус, а также наносекундные и микросекундные импульсные выбросы и провалы амплитудой до 1,0 кВ. Кроме того, к тем же электрическим сетям могут быть подключены телевизоры, приемники и другая чувствительная к помехам аппаратура. Поэтому необходимо обеспечить соответствие ИП следующим основным стандартам по ЭМС: ГОСТ Р 51318.15- 99, ГОСТ Р 51514-99, ГОСТ Р 51317.3.2.2006 (раздел 6, 7), ГОСТ Р 51317.3.3.2008, ГОСТ Р 51317.4.2.99, ГОСТ Р 51317.4.4.2007, ГОСТ Р 51317.4.5.99, ГОСТ Р 51317.4.6.99, ГОСТ Р 51317.4.11.2007.

Источники PSL (Power Supply Led) выполнены по схеме обратноходового корректора коэффициента мощности со стабилизацией выходного тока и ограничением напряжения. Типовая блок-схема приведена на рис. 1. Основой преобразователя является контроллер ККМ, управляющий силовым ключом и обеспечивающий коэффициент мощности выше 0,9. Осциллограммы входного напряжения и тока, а также действующие и предельные значения гармоник тока источника PSL50 приведены на рис. 2 и 3. Фильтр ЭМС обеспечивает электромагнитную совместимость в соответствии со стандартами на светильники.

Рис. 1. Блок-схема источника

Рис. 2. Осциллограммы входного напряжения и тока PSL50

Рис. 3. Действующие и предельные значения гармоник входного тока PSL50

В качестве примера в таблице 1 приведен уровень радиопомех на сетевых зажимах PSL50 в диапазоне частот 0,009–30 МГц (квазипиковые значения).

Т а б л и ц а 1 . Уровень радиопомех PSL50

Частота, МГц	Величина напряжения радиопомех, дБ (мкВ)
	Измеренная	Допустимая (норма)
0,009	56	110
0,04	25	92
0,15	37	66
0,16	35	65,5
0,24	21	62,1
0,55	13	55,2
1	на уровне шумов	56
3,5	11	56
6	31	56
7,7	37	56
10	32	60
15,6	51	60
28	42	60
30	41	60

Выходной фильтр обеспечивает необходимый уровень пульсаций выходного тока и, соответственно, пульсаций светового потока. Уровень и форма пульсаций токов и напряжений для двух номиналов выходного фильтра PSL50 приведены на рис. 4–7.

Рис. 4. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА)	Рис. 5. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (постоянная составляющая 120 В)
Рис. 6. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА)	Рис. 7. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (постоянная составляющая 120 В)

Осциллограммы показывают, что увеличение выходной емкости на 60% уменьшает пульсации тока в два раза и соответственно снижает пульсации светового потока, поскольку зависимость между ними практически линейная. При включении источники обеспечивают плавную подачу напряжения в течение 50 мс. Форма выходного напряжения при старте PSL50 приведена на рис. 8.

Рис. 8. Выходное напряжение PSL50 в момент включения

Усилитель сигнала ошибки (УСО) по току обеспечивает формирование сигнала ошибки, поддерживая ток через светодиоды на заданном уровне. УСО по напряжению ограничивает выходное напряжение на холостом ходу. Блок гальванической развязки предназначен для передачи сигнала ошибки на контроллер, в первичную цепь. Демпфер ограничивает выброс напряжения на стоке силового ключа, что позволяет использовать более низковольтный и дешевый транзистор.

Питанием источника является сеть переменного тока. Гальваническая развязка входных и выходных цепей между собой и корпусом выдерживает 1,5 кВ и обеспечивает безопасность эксплуатации. Источники соответствуют отечественным и международным нормам в части ЭМС. Имеется встроенная защита от короткого замыкания на выходе, обеспечивается работа на холостом ходу. Основные технические характеристики источников приведены в таблице 2.

Т а б л и ц а 2 . Параметры источников питания

Наименование параметра	Тип источника
	PSL15	PSL20	PSL30	PSL35	PSL50	PSL100
Напряжение питания	176–264 В, 50/60 Гц
Максимальная мощность, Вт	20	20	20	20	20	20
Диапазон выходного напряжения, В	24–32	36–48	44–50	25–38	100–144	200–300
Выходной ток, мА	500±30	360±20	600±20	900±30	360±20	370±20
Нестабильность выходного тока, % (не более)	5	5	5	5	5	5
Пульсации выходного тока, % (не более)	20	20	20	20	10	10
Коэффициент полезного действия, % (не менее)	85	85	85	85	90	90
Коэффициент мощности, % (не менее)	90	90	90	90	97	95
Рабочая температура, °C	–25…+65	0…+40	0…+40	0…+40	0…+40	–45…+60
Средний ресурс, ч	50 000
Габаритные размеры, мм (не более)	135×40×25	145×30×25	145×30×25	145×30×25	160×33×25	180×40×36
Масса, г (не более)	100	100	100	100	110	160

Внешний вид PSL15, PSL35, PSL50 и PSL100 приведен на рис. 9–12 соответственно. Источники PSL20 и PSL30 имеют конструктивное исполнение, аналогичное PSL35.

Рис. 9. Источник PSL15	Рис. 10. Источник PSL35
Рис. 11. Источник PSL50	Рис. 12. Источник PSL100

Для специальных конструкций светильников разработан недорогой сетевой неизолированный источник тока мощностью 9 Вт (PSL9). Он представляет собой понижающий преобразователь с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Схема источника приведена рис. 13, внешний вид - на рис. 14. Основа источника - микросхема драйвера HV9910. Цепочка С1– VD2–VD3–VD4–C2 - пассивный ККМ. Выходной ток задается резисторами R4, R5, R6. C3 - выходной фильтрующий конденсатор. Параметры источника PSL9 приведены в таблице 3.

Рис. 13. Схема PSL9

Рис. 14. Источник PSL9

Т а б л и ц а 3 . Параметры источника PSL9

Напряжение питания	176–264 В, 50/60 Гц
Коэффициент полезного действия, % (не менее)	80
Коэффициент мощности, % (не менее)	84
Минимальное выходное рабочее напряжение, В	20
Максимальное выходное рабочее напряжение, В	32
Максимальное напряжение холостого хода, В	350
Стабилизированный выходной ток, мА	350±10
Нестабильность выходного тока, % (не более)	5
Пульсации выходного тока, % (не более)	15
Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм	45×33×25
Диапазон рабочих температур, °С	0…+40

Светильники, в конструкции которых использованы PSL9, PSL15, PSL30, PSL100, проходят опытную эксплуатацию. Светильники с PSL20, PSL35 и PSL50 выпускаются серийно.

Выбранная схема построения источников питания позволяет без больших затрат модифицировать конструкцию для получения других значений выходного напряжения и тока в пределах заявленной мощности, обеспечивая питание светильников с иной схемой включения светодиодов.

Примечание автора: «В сети есть достаточно большое количество информации о питании светодиодной продукции, но когда я готовил материал для этой статьи, нашел большое количество абсурдной информации на сайтах из топа выдачи поисковых систем. При этом наблюдается либо полное отсутствие, либо неправильное восприятие базовых теоретических сведений и понятий.»

Светодиоды - самый эффективный на сегодняшний день из всех распространенных источников света. За эффективностью кроются и проблемы, например высокое требование к стабильности тока, который их питает, плохая переносимость сложных тепловых режимов работы (при повышенной температуре). Отсюда выходит задача решения этих проблем. Давайте разберемся, чем отличаются понятия блок питания и драйвер. Для начала углубимся в теорию.

Источник тока и источник напряжения

Блок питания - это обобщенное названия части электронного устройства или другого электрооборудования, которое осуществляют подачу и регулирование электроэнергии для питания этого оборудования. Может находиться как внутри устройства, так и снаружи, в отдельном корпусе.

Драйвер - обобщенное название специализированного источника, коммутатора или регулятора питания для специфичного электрооборудования.

Различают два основных типа источников питания:

Источник напряжения.

Источник тока.

Давайте рассмотрим их отличия.

Источник напряжения - это такой и источник питания напряжение на выходе которого не изменяется при изменении выходного тока.

У идеального источника напряжения внутреннее сопротивление равняется нулю, при этом выходной ток может быть бесконечно большим. В реальности же дело обстоит иначе.

У любого источника напряжения есть внутреннее сопротивление. В связи с этим напряжение может несколько отклоняться от номинального при подключении мощной нагрузки (мощная - малое сопротивление, большой ток потребления), а выходной ток обуславливается его внутренним устройством.

Для реального источника напряжения аварийным режимом работы является режим короткого замыкания. В таком режиме ток резко возрастает, его ограничивает только внутреннее сопротивление источника питания. Если источник питания не имеет защиты от КЗ, то он выйдет из строя

Источник тока - это такой источник питания, ток которого остается заданным независимо от сопротивления подключенной нагрузки.

Так как целью источника тока является поддержание заданного уровня тока. Аварийным режимом работы для него является режим холостого хода.

Если объяснить причину простыми словами, то дело обстоит следующим образом: допустим, вы подключили к источнику тока с номинальным в 1 Ампер нагрузку сопротивлением в 1 Ом, то напряжение на его выходе установится в 1 Вольт. Выделится мощность в 1 Вт.

Если увеличить сопротивление нагрузки, скажем, до 10 Ом, то ток так и будет 1А, а напряжение уже установится на уровне 10В. Значит, выделится 10Вт мощности. И наоборот, если снизить сопротивление до 0.1 Ома, ток будет все равно 1А, а напряжение станет 0.1В.

Холостым ходом называется состояние, когда к выводам источника питания ничего не подключено. Тогда можно сказать, что на холостом ходу сопротивление нагрузки очень большое (бесконечное). Напряжение будет расти до тех пор, пока не потечет ток силой в 1А. На практике, для примера такой ситуации можно привести катушку зажигания автомобиля.

Напряжение на электродах свечи зажигания, когда цепь питания первичной обмотки катушки размыкается, растёт до тех пор, пока его величина не достигнет напряжения пробоя искрового промежутка, после чего через образовавшуюся искру протечет ток и рассеется энергия, накопленная в катушке.

Состояние короткого замыкания для источника тока не является аварийным режимом работы. При коротком замыкании сопротивление нагрузки источника питания стремится к нулю, т.е. оно бесконечно маленькое. Тогда напряжение на выходе источника тока будет соответствующим для протекания заданного тока, а выделяемая мощность ничтожно мала.

Перейдем к практике

Если говорить о современной номенклатуре или названиям, которые даются источникам питания в большей степени маркетологами, а не инженерами, то блоком питания принято называть источник напряжения.

К таким относятся:

Зарядное устройство для мобильного телефона (в них преобразование величин до достижения необходимого зарядного тока и напряжения осуществляется установленными на плате заряжаемого устройства преобразователями.

Блок питания для ноутбука.

Блок питания для светодиодной ленты.

Драйвером называют источник тока. Основное его применение в быту - это питание отдельных и те и другие обычной высокой мощности от 0.5 Вт.

Питание светодиодов

В начале статьи было упомянуто, что у светодиода весьма высокие требования к питанию. Дело в том, что светодиод питается током. Это связано с . Взгляните на неё.

На картинке ВАХ диодов разных цветов:

Такая форма ветви (близка к параболе) обусловлена характеристиками полупроводников и примесей которые в них внесены, а также особенностей pn-перехода. Ток, когда напряжение, приложенное к диоду меньше порогового почти, не растёт, вернее его рост ничтожно мал. Когда напряжение на выводах диода достигает порогового уровня, через диод резко начинает расти ток.

Если ток через резистор растёт линейно и зависит от его сопротивления и приложенного напряжения, то рост тока через диод не подчиняется такому закону. И при увеличении напряжения на 1% ток может возрасти на 100% и больше.

Плюс к этому: у металлов сопротивление увеличивается при росте его температуры, а у полупроводников наоборот - сопротивление падает, а ток начинает расти.

Чтобы узнать причины этого подробнее нужно углубиться в курс “Физические основы электроники” и узнать о типах носителей зарядов, ширине запрещенной зоны и прочих интересных вещах, но делать этого мы не будем, бегло эти вопросы мы рассматривали .

В технических характеристиках пороговое напряжение обозначается, как падение напряжения в прямом смещении, для светодиодов белого свечения обычно около 3-х вольт.

С первого взгляда может показаться, что достаточно на этапе проектировки и производства светильника достаточно подобать и выставить стабильное напряжения на выходе блока питания и всё будет хорошо. На светодиодных лентах так и делают, но их питают от стабилизированных источников питания, к тому же мощность применяемых в лентах светодиодах зачастую* мала, десятые и сотые доли Ватт.

Если такой светодиод питается от драйвера, со стабильным выходным током, то при нагреве светодиода ток через него не возрастет, а останется неизменным, а напряжение на его выводах для этого немного снизится.

А если от блока питания (источника напряжения), после нагрева ток увеличится, от чего нагрев будет еще сильнее.

Есть еще один фактор - характеристики всех светодиодов (как и других элементов) всегда отличаются.

Выбор драйвера: характеристики, подключение

Для правильного выбора драйвера нужно ознакомиться с его техническими характеристиками, основные это:

Номинальный выходной ток;

Максимальная мощность;

Минимальная мощность. Не всегда указывается. Дело в том, некоторые драйвера не запустятся если к ним подключена нагрузка меньше определенной мощности.

Часто в магазинах вместо мощности указывают:

Номинальный выходной ток;

Диапазон выходных напряжений в виде (мин.)В…(макс.)В, например 3-15В.

Количество подключаемых светодиодов, зависит от диапазона напряжений, пишется в виде (мин)…(макс), например 1-3 светодиодов.

Так как ток через все элементы одинаков при последовательном подключении, поэтому к драйверу светодиоды подключаются последовательно.

Параллельно светодиоды нежелательно (скорее нельзя) подключать к драйверу, потому что, падения напряжений на светодиодах могут немного различаться и один будет перегружен, а второй наоборот работать в режиме ниже номинального.

Подключать больше светодиодов, чем определено конструкцией драйвера не рекомендуется. Дело в том, что любой источник питания имеет определенную максимально допустимую мощность, которую нельзя превышать. А при каждом подключенном светодиоде к источнику стабилизированного тока напряжение на его выходах будет возрастать примерно на 3В (если светодиод белый), а мощность будет равняться как обычно произведению тока на напряжение.

Исходя из этого, сделаем выводы, чтобы купить правильный драйвер для светодиодов, нужно определиться с током, который потребляют светодиоды и напряжением, которое на них падает, и по параметрам подобрать драйвер.

Например этот драйвер поддерживает подключение до 12 мощных светодиодов на 1Вт, с током потребления в 0.4А.

Вот такой выдаёт ток в 1.5А и напряжение от 20 до 39В, значит к нему можно подключить, например светодиод на 1.5а, 32-36В и мощностью 50Вт.

Заключение

Драйвер - это один из типов блока питания, рассчитанный на обеспечение светодиодов заданным током. В принципе все равно как называют этот источник питания. Блоками питания называются источники питания для светодиодных лент на 12 или 24 Вольта, они могут выдавать любой ток ниже максимального. Зная правильные названия, вы вряд ли ошибетесь при приобретении товара в магазинах, и вам не придётся его менять.