Источники питания для светодиодного освещения

Рассмотрены основные требования к источникам питания для светодиодных светильников, как самых оптимальных с точки зрения эффективности, надежности, экологии. Рассмотрены требования к входному току и возможные пути удовлетворения требований ГОСТ.  Рассмотрены требования к выходным параметрам с учетом специфики нагрузки. Предложена топология преобразователя, удовлетворяющая всем рассмотренным требованиям с минимальными материальными затратами.

Замечено, что повышение благосостояния любой цивилизации приводит к увеличению количества потребляемой энергии в разных ее формах. Так было всегда, с самых первобытных племен и по настоящее время, и нет никаких оснований сомневаться в том, что так будет продолжаться и дальше, по крайней мере, в ближайшем будущем. Общий рост потребления энергии распространяется и на электрическую энергию, как на самый удобный вид энергии с точки зрения производства, использования и доставки потребителю, не говоря уже об экологии в местах ее использования. При увеличении потребления сразу же возникают проблемы, связанные с доставкой электроэнергии потребителю. Ограниченная пропускная способность существующих электрических сетей вынуждает искать пути для повышения эффективности передачи и использования электрической энергии.

Известно, что в жилых и непроизводственных зданиях, составляющих львиную долю потребителей, значительная часть от всей потребляемой электроэнергии (около 50%) расходуется на освещение. Поэтому повышение эффективности светильников существенно влияет на общие потери в проводах и на пропускную способность сети. Сравнение характеристик разных типов современных светильников (табл. 1) показывает, что так называемая «лампочка Ильича» – это светильник ХХ века, уже ушедшего в историю.  Новый, ХХI век требует применения новых, эффективных решений.

Как видно из таблицы 1, замена традиционных ламп накаливания на люминесцентные лампы и современные светодиоды может сократить затраты энергии на освещение в 4…5 раз.  Но уменьшится ли при этом нагрузка на электрическую сеть?

На рисунке 1 представлены осциллограммы тока потребления различных люминесцентных ламп (1а – лампа с пускорегулирующим устройством в цоколе без дросселя, 1б, 1в – лампы с дросселем). Из рисунка видно, что все люминесцентные лампы имеют низкий коэффициент мощности: без дросселя – за счет больших гармонических искажений тока, с дросселем – за счет огромного сдвига по фазе. В результате при равной яркости свечения люминесцентные лампы потребляют значительно меньшую активную мощность, но создают нагрузку на сеть даже большую, чем лампа накаливания равной яркости. Конечно, это позволяет экономить топливо, сжигаемое в печах электростанций, но совершенно не решает проблему доставки электроэнергии потребителю. В результате, в конечном счете все окажутся в убытке: владельцы электрических сетей (при максимальной нагрузке, которую могут выдержать сети, последние будут в состоянии передавать в 2…4 раза меньше активной мощности и, соответственно, приносить меньший доход), производители электроэнергии (генераторы электростанций при том же самом максимально допустимом токе обмоток генераторов будут вырабатывать меньшую полезную мощность) и, в конечном счете, потребители электроэнергии (совершив дополнительные затраты на установку экономичных светильников, потребители не смогут долго радоваться снижению затрат на освещение – электрические компании быстро отреагируют на снижение своих доходов и дружно откликнутся повышением тарифов). Чтобы повысить эффективность доставки электроэнергии, необходимо исключить бесполезный холостой пробег тока и передавать по проводам только активную мощность. Для решения этой задачи при импульсном потреблении тока, а также при ярко выраженном нелинейном или реактивном характере нагрузки необходимо применение одного из множества разновидностей корректоров коэффициента мощности (ККМ). Поскольку ККМ практически невозможно уместить в цоколе от лампы накаливания, простая замена лампы накаливания на более дорогую энергосберегающую люминесцентную лампу с таким же цоколем сократит на некоторое время расходы на освещение (при этом по причинам, изложенным выше, вряд ли дополнительные затраты успеют окупиться), но нисколько не убавит токовую нагрузку на сеть. Кроме того, поскольку сама люминесцентная лампа – вещь довольно громоздкая, да к тому же хрупкая и наполнена ядовитыми парами ртути, становится очевидным преимущество светодиодных светильников, лишенных указанных выше недостатков.

Особенности физических свойств светодиодов определяют специфические требования к источникам питания для светодиодной техники. Кроме того, чтобы действительно уменьшить нагрузку на электрическую сеть, то есть обеспечить высокий коэффициент мощности, источники должны соответствовать определенным требованиям по величине гармоник входного тока.

Проблема низкого коэффициента мощности существует столько же, сколько существуют электрические сети переменного тока.  Повышающие и понижающие трансформаторы, электродвигатели переменного тока, включенные в большом количестве в электрическую сеть, создают значительную реактивную составляющую тока, в результате чего при довольно большом токе в проводах полезная мощность составляет малую часть от того, что можно было бы получить при чисто активной нагрузке. Действительно, при синусоидальном напряжении в сети в случае активной нагрузки ток в сети пропорционален напряжению:

Полезная мощность при этом составляет:

Коэффициент мощности, определяемый как отношение полезной мощности к произведению среднеквадратичных значений тока и напряжения, в данном случае равен:

При наличии реактивной составляющей, вызванной индуктивным характером нагрузки, ток отстает по фазе от напряжения:

Полезная мощность и коэффициент мощности при этом равны соответственно:

Итак, при синусоидальном токе коэффициент мощности равен пресловутому «косинусу фи», с которым должен быть хорошо знаком каждый, кто хорошо учился в средней школе. Однако отождествлять эти два понятия нельзя, поскольку коэффициент мощности может отличаться от 100% не только из-за сдвига по фазе между током и напряжением, но и из-за больших гармонических искажений тока.  Если посмотреть с помощью осциллографа форму напряжения в любой электрической розетке, то сейчас никого уже не удивляет видимая невооруженным глазом особенность – верхушка синуса как бы срезана. Это объясняется большим распространением источников питания для персональных компьютеров, телевизоров и прочей бытовой техники, содержащих выпрямитель с накопительным конденсатором на своем входе и не содержащих при этом ККМ. Такие источники потребляют ток короткими импульсами в момент достижения сетевым напряжением своего амплитудного значения.  В остальную часть периода сети потребления тока нет.  Естественно, пиковое и среднеквадратичное значения тока в сети оказываются при этом значительно выше, чем в случае потребления в течение всего периода.

Для наглядности рассмотрим аппроксимацию тока потребления таких устройств в виде короткого прямоугольного импульса (рис. 2), точно совпадающего по фазе с напряжением сети, и будем предполагать, что коэффициент заполнения γ, то есть отношение длительности импульса к периоду его следования (в нашем случае – к половине периода сетевого напряжения) намного меньше единицы:

Поскольку импульс короткий и совпадает по времени с верхушкой синусоиды, мгновенное значение напряжения сети в течение всего импульса можно считать неизменным и равным амплитудному значению.  При данном предположении потребляемая мощность и среднеквадратичное значение тока равны соответственно:

Коэффициент мощности при этом равен:

Нетрудно убедиться, что, например, при коэффициенте заполнения 1/8 коэффициент мощности уже равен 0,5 и будет тем меньше, чем меньше относительная длительность импульса.  Если со сдвигом по фазе метод борьбы давно известен и везде применяется – включение в сеть конденсатора соответствующей емкости создает равную по величине и противоположную по знаку реактивную составляющую, которая компенсирует действие индуктивной нагрузки и уменьшает сдвиг по фазе до нуля, то с импульсным потреблением тока должен бороться сам потребитель, скомпенсировать его параллельным включением каких-либо дополнительных устройств нельзя.  По своему действию на сеть импульсная нагрузка значительно хуже индуктивной, так как лишает сети переменного тока очевидного преимущества – отсутствия потерь в нулевом проводе.  Если при сбалансированной нагрузке в трехфазной сети токи отстают по фазе от напряжения на один и тот же угол, они все равно взаимно компенсируются, и ток в нулевом проводе, равен нулю, потери выделяются только в фазных проводах, то при импульсном потреблении картина совсем иная.  Импульсы тока потребления в каждой фазе не пересекаются по времени с импульсами в других фазах, и никакой взаимной компенсации токов в нулевом проводе не происходит.  Напротив, в нулевом проводе складываются потери от тока каждой фазы, и его уже нельзя делать тонким.  Напротив, при такой нагрузке его следует делать более мощным, чем фазные провода,  потери в трехфазных сетях при этом удваиваются, а о передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью трехпроводных линий электропередач без нулевого провода вообще не может быть и речи.

В нашей стране только в последнее время становится заметным влияние импульсного потребления и вызванные им неудобства.  Значительно заметно это будет в ближайшем будущем в связи с централизованно организованным переходом от ламп накаливания к энергосберегающим лампам.  Немногие захотят добровольно приобрести лампу, в 10…20 раз более дорогую, про которую известно, что она потребляет в 4…5 раз меньше электроэнергии (что похоже на правду и привлекает покупателя), и про которую говорят, что она прослужит во столько же раз дольше по сравнению с лампой накаливания, во сколько раз она дороже (в чем воспитанный нашей рекламой покупатель имеет полное право сомневаться).  Гораздо охотнее будут раскупаться дешевые китайские лампы без ККМ, наводнившие наш рынок, и по мере дальнейшего введения запретов на производство ламп накаливания есть все основания ожидать, что мы в полной мере увидим все прелести импульсного потребления.

В более развитых странах с этой проблемой столкнулись несколько раньше, особенно остро она возникла в США, где стандартная сеть имеет напряжение 110 В.  В Европе давно уже действуют нормы IEC 555-2 и множество произведенных от него стандартов, регламентирующих величину гармоник входного тока для устройств, питающихся от сети переменного тока.  В России соответствующий стандарт ГОСТ Р 51317.3.2, содержащий аутентичный текст международного стандарта МЭК 61000‑3‑2‑(1995‑03), введен в действие 24 декабря 1999 г.  В соответствии с этим стандартом все потребители до 16 А на фазу разделены на 4 класса со своими нормами на величину гармоник входного тока ( по 40-ю гармонику включительно).  К классу B относится портативное оборудование, к классу C относятся осветительное оборудование.  Остальное оборудование разделено между классами A и D, одним из критериев деления является форма входного тока.  Если форма тока укладывается в определенный стандартом шаблон в течение более 95% времени, то оборудование относится к классу D с более жесткими нормами, в котором допустимая величина гармоник входного тока зависит от входной мощности.  Класс А устанавливает нормы на абсолютную величину гармоник входного тока независимо от входной мощности.

Для осветительного оборудования (класс С) установлены нормы на относительную величину гармоник входного тока.  В соответствии со стандартом, вторая гармоника входного тока должна быть не более 2% от величины первой гармоники, третья – не более (30∙PF)%, где PF – коэффициент мощности изделия, пятая – 10%, седьмая – 7%, девятая –5%.  Нормы на величину нечетных гармоник с 11 по 39 включительно установлены на уровне 3% от величины первой гармоники.  Чтобы соответствовать требованиям стандарта, в состав оборудования включают дополнительный функциональный узел, называемый корректором коэффициента мощности (ККМ).  Поскольку основная масса единиц осветительного оборудования на основе светодиодов не будет потреблять более 100 Вт, источник питания для светодиодов должен быть достаточно дешевый, что накладывает довольно жесткие ограничения на стоимость ККМ.  Фактически, форма входного тока у источника питания для светодиодов может очень сильно отличаться от синусоидальной, главное, чтобы гармоники входного тока соответствовали требованиям ГОСТ, а стоимость самого ККМ была минимальной.

Наиболее популярным видом ККМ в маломощных источниках питания являются пассивные ККМ, основным преимуществом которых является их простота и низкая стоимость. В качестве примера пассивного ККМ на рисунке 3 представлена наиболее популярная диодно-кондесаторная схема.

Главный принцип действия пассивных корректоров – «растянуть» форму тока за пределы установленного в стандарте шаблона, таким образом, переводя преобразователь из класса D в класс A с менее жесткими нормами на величину гармоник входного тока (рисунок 4).

Как видно из рис. 4, пассивный ККМ обеспечивает форму тока, не укладывающуюся в шаблон для класса D, следовательно, оборудование может быть отнесено к классу А. Поскольку нормы в классе A установлены в абсолютных величинах независимо от величины входной мощности (нормы класса А соответствуют нормам класса D для мощности 600 Вт), такой тип корректоров вполне приемлем для маломощных преобразователей. Осветительное оборудование, однако, относится к классу C, в котором норма на гармоники входного тока установлена в относительных единицах по отношению к величине основной гармоники.  Представленная на рисунке 3 форма тока значительно превышает нормы, установленные для класса C. По этой причине дешевые пассивные корректоры коэффициента мощности не могут быть использованы в осветительной аппаратуре.  Для удовлетворения требований стандарта по гармоникам входного тока в нашем случае необходимо применение активного ККМ.

Классический ККМ в виде отдельного узла или отдельного модуля выполняется по схеме повышающего преобразователя (рис.5). Данный ККМ позволяет удовлетворить самые жесткие требования стандарта, но его применение существенно повышает стоимость изделия, что особенно заметно, если мощность источника не превышает 100…200 Вт, т.е. практически не подходят для подавляющего большинства светильников.

В поисках путей удешевления ККМ в 90-х годах прошлого века появились публикации, в которых предлагалось объединить функции силовых ключей ККМ и последующего преобразователя в одном силовом ключе (рис. 6), дополнив схему диодами и переведя ККМ и преобразователь в режим разрывных токов (так называемое «новое семейство»).  Экономия одного ключа и его схемы управления достигается за счет повышенных токов и напряжения на основных силовых элементах схемы.  Особенно неприемлемой оказалась зависимость напряжения на высоковольтном накопительном конденсаторе от изменения мощности нагрузки.  Из-за этих недостатков «новое семейство» не получило практического применения. 

В последнее время появились также публикации о резонансных преобразователях с ККМ с двумя накопительными конденсаторами и несколькими магнитосвязанными обмотками трансдросселя, в которых ток перетекает резонансным образом из одной накопительной емкости в другую и затем, через выходную обмотку трансдросселя, в нагрузку.  В этих преобразователях используется один ключ, а входной дроссель ККМ и изолирующий трансформатор объединены на общем сердечнике в один моточный компонент.  Данная топология из-за множества магнитных связей практически не поддается аналитическому описанию, попытки публикаций грешат множеством неточностей.  Из публикаций видно, что преобразователь работает, и видно, что начальные предположения при анализе приводят к противоречию работы преобразователя и результатам анализа, вытекающих из сделанных предположений.  Применение режима разрывных токов и резонансного принципа работы подразумевает повышенные требования по току к накопительным конденсаторам, однако, если производитель правильно подберет компоненты и сумеет обеспечить высокую повторяемость при серийном производстве, данная топология вполне имеет право на практическое применение.

Альтернативой ККМ являются преобразователи, устроенные таким образом, что их входной ток приблизительно пропорционален входному напряжению.  Из таких преобразователей наиболее подходящим для питания светодиодов, с точки зрения авторов, является вариант преобразователя без накопительного конденсатора на первичной стороне.  На рисунке 7 представлена версия на основе обратноходового преобразователя.

Преобразователь работает в граничном режиме.  Функцию накопительного конденсатора выполняют емкости на выходе преобразователя.  Повышенные требования по току конденсаторов здесь окупаются простотой и низкой ценой, а наличие небольшой пульсации выходного напряжения на удвоенной частоте сети вполне допустимо при питании осветительного оборудования.  Расчетная форма тока представлена на рис. 8.  Теоретически коэффициент мощности такого преобразователя равен 0,99, при этом расчетный состав гармоник входного тока с большим запасом удовлетворяет требованиям класса С.

Специфика нагрузки при питании светодиодов определяет специфические требования к выходной части преобразователей.  В основном, по своим выходным параметрам источники питания для светодиодного освещения не должны сильно отличаться от стандартных коммерческих преобразователей.  Отличительными чертами являются:

1. Не всегда требуется гальваническая развязка между входными и выходными цепями.

2. Появилась новая опция – dimming.

3. Поскольку светодиоды питаются током, а не напряжением, на рынке требуются преобразователи – источники тока.  Источники напряжения также востребованы для питания устройств, содержащих несколько «гирлянд» со своими регуляторами.

4. Более мягкие требования к пульсациям выходного напряжения, особенно на высокой частоте.

Требования по пульсациям на удвоенной частоте сети определяются санитарными нормами СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278‑03, устанавливающими для обширного класса помещений жилых и общественных зданий нормы на коэффициент пульсации освещенности в пределах 10…20%.  При освещении помещений, для которых коэффициент пульсации освещенности не нормируется, следует помнить, что при питании светодиодов импульсным током их эффективность заметно снижается.  В этом можно убедиться на простом примере.  Для типового светодиода зависимость светового потока от тока имеет ярко выраженный логарифмический характер.  В качестве примера рассмотрим типовую характеристику диода CLN6A  (Рис. 9).

При питании светодиода током 600 мА световой поток больше потока при токе 300 мА приблизительно в 1,5 раза. Следовательно, при питании светодиода импульсным током со скважностью 0,5 и средним значением 300 мА световой поток будет составлять только 0,75 от величины потока при питании постоянным током с тем же средним значением. Это говорит о том, что пульсации напряжения на выходе должны быть в разумных пределах и не следует пытаться обойтись без конденсаторов при построении преобразователя напряжения, причем, принимая во внимание специфику нагрузки, а именно весьма высокую крутизну вольтамперной характеристики светодиодов в рабочей точке, емкость конденсаторов должна быть достаточно большой, чтобы удержать пульсацию выходного напряжения в разумных пределах. Если пульсации тока на частоте коммутации можно значительно уменьшить с помощью дросселя, включенного последовательно с нагрузкой, то на частоте сети требуемая величина дросселя может оказаться сравнимой с размерами преобразователя вместе с нагрузкой. Исходя из вышеизложенного, любому человеку, которого можно назвать разумным, ясно, что светодиоды следует соединять последовательно: во-первых, при последовательном соединении их дифференциальные сопротивления складываются, что облегчает требования к пульсациям выходного напряжения, во-вторых, при равной мощности нагрузки выходные конденсаторы намного эффективнее работают на высоких напряжениях – можно обойтись одним или двумя конденсаторами, в то время, как на низких напряжениях требуется целая батарея таких же по объему конденсаторов.  Преимущества высокого выходного напряжения особенно заметны в преобразователях, в которых выходные конденсаторы несут большую токовую нагрузку

На основе топологии без накопительного конденсатора на первичной стороне в ЗАО «ММП-Ирбис» был разработан ряд источников питания для светодиодов с выходной мощностью до 100 Вт. На рис. 10 представлена осциллограмма входного тока источника с максимальной выходной мощностью 40 Вт (номинальный ток нагрузки 0,12 А), полученная при следующих условиях:

• входное напряжение 220,6 В (действ.)
• выходное напряжение 300 В
• ток нагрузки 114 мА
• входной ток 0,191 А (действ.)
• потребляемая мощность 40 Вт.

Хотя форма входного тока заметно отличается от синусоидальной, относительная величина гармоник входного тока с большим запасом удовлетворяет нормам, установленным для осветительного оборудования (Рис. 11).  Значение коэффициента мощности, полученное по результатам измерений, составляет 0,95; коэффициент полезного действия равен 85,5%.

Выводы

По совокупности требований по экономичности, долговечности, экологическим свойствам наиболее предпочтительными выглядят светильники на основе светодиодов.  С учетом специфики применения, источники питания для светодиодного освещения должны удовлетворять определенным требованиям как по качеству входного тока, так и по выходным характеристикам.  Кроме того, источники питания должны содержать минимальное количество электронных компонентов, чтобы сохранить стоимость светильника в разумных пределах.  Топология обратноходового AC/DC преобразователя без накопительного конденсатора на первичной стороне удовлетворяет всем требованиям и выглядит оптимальной для построения светодиодных светильников с потребляемой мощностью до 100 Вт.