Источники питания для светодиодных светильников: особенности применения
13 сентября 2010
Светодиоды в целом, и, в частности, мощные (более 1 Вт) светодиоды очень чувствительны к различным внешним факторам, которые могут негативно сказаться на их сроке службы и качественных показателях. В настоящее время величины максимальных питающих токов для светодиодов имеют весьма ощутимые значения: до 1…1,5 и даже до 2 А по сравнению с 0,35 А, на которые чаще всего нормируются характеристики светодиода. Желание получить максимальный световой поток с одного полупроводникового излучателя ведет к увеличению тока, пропускаемого через него, что отражается на его тепловыделении, и вся конструкция (светодиод + светодиодная арматура) работает на грани перегрева кристалла. При этом к источнику питания предъявляются высокие требования по стабильности выходных характеристик, которые он должен обеспечить. Это является довольно проблематичным при использовании для питания источника напряжения. Во-первых, предварительное выравнивание тока в цепи светодиодов потребует, по крайней мере, дополнительного резистора, который будет ограничивать ток и в то же время рассеивать на себе дополнительную мощность. Во-вторых, любая осветительная установка работает в некотором диапазоне температур, часто довольно широком, а светодиод, обладая отрицательной зависимостью прямого падения напряжения от температуры кристалла — обычно на уровне -2…-4 мВ/°С, будет иметь плавающую рабочую точку. В-третьих, свой вклад будет вносить нестабильность выходных характеристик самого источника. Эти причины изрядно сократят жизнь современному источнику света, особенно в случае его работы на токах, близких к максимальным. Так, повышение напряжения на переходе всего на 0,1 В будет причиной изменения силы тока на 200 мА, что приведет к повышенному тепловыделению и может крайне негативно сказаться на работе светового прибора.
ВАХ на рисунке 1 показывает, насколько важно использование блока питания (БП) с регулированием по току, а не по напряжению. Повышение напряжения питания на светодиоде на 3% (0,1 В) приводит к росту тока в первом приближении на 20% (200 мА). Соответственно, на 40% растет потребляемая мощность и тепловая отдача, что неизбежно приведет к перегреву, деградации структуры кристалла и выходу из строя светодиода. При кратковременном сильном превышении питающего светодиод тока может начаться деградация кристалла диода, за которой также последует выход из строя.
Рис. 1. Типичная положительная ВАХ мощного светодиода
Понижение напряжения на диоде также нежелательно, так как при его падении на 3% от номинального, что соответствуют падению тока на 200 мА, мы теряем более 50% светового потока, что видно из зависимости относительного потока светодиода от питающего тока (рис. 2).
Рис. 2. Зависимость относительного светового потока светодиода от тока питания
Самым простым способом обеспечить необходимый ток питания светодиода является применение высокочастотных (десятки кГц) широтно-импульсных преобразователей (ШИМ), способных поддерживать необходимый средний ток в широком диапазоне мощностей подключенного оборудования. В обиходе светотехников и электриков такие БП часто называют светодиодными драйверами. Некоторые модели в выходной цепи преобразуют чистый ШИМ-сигнал (прямоугольные импульсы) в более сглаженную кривую, среднее значение которой находится на уровне желаемого среднего тока.
Высокая частота работы блока питания обусловлена, прежде всего, требованиями к отсутствию видимых пульсаций источников света. Особенностью конструкции ШИМ-схем является также то, что существует запас для понижения сетевого напряжения, при котором световой поток оборудования не снижается, но уменьшается частота пульсаций выходного сигнала, особенно сильно проявляющаяся при работе БП на нагрузках, близких к максимально допустимым. К примеру, блоки питания компании Inventronics могут работать в диапазоне действующих значений напряжения сети питания от 90 до 305 В, при этом частота пульсаций выходного сигнала все еще значительно превышает порог, при котором мигание светодиода может быть заметным, т.е. явление фликера (мигания источника света согласно ГОСТ 13109-97) сводится к нулю. Таким образом, ШИМ-блоки питания могут быть рекомендованы для использования в осветительном оборудовании на расстоянии от региональных центров на территории России, где напряжения в сети может быть ощутимо ниже стандартных (действующее значение напряжения в сети может падать до 150 В и менее в регионах, удаленных от крупных электростанций), а кратковременные перенапряжения, вызванные подключением мощных удаленных потребителей, могут достигать 260 В и более.
Другой особенностью использования БП с ШИМ является простота интеграции с управляемыми диммерами. При этом БП могут получать информацию о степени ослабления светового потока по каналам 1…10 В, DMX, DALI или другим протоколам. Также нельзя не упомянуть малые габаритные размеры ШИМ-блока питания, позволяющие минимизировать размеры корпуса ОП с интегрированным БП или упростить установку внешнего блока питания недалеко от светильника.
Есть и другой подход к исполнению блоков питания: для упрощения адаптации к существующим сетям, минимизации объема БП внутри светильников и организации низковольтной сети по принципам электробезопасности используются отдельный низковольтный источник напряжения (12 или 24 В) за пределами корпуса осветительного прибора (ОП) и малогабаритный ШИМ-преобразователь внутри светильника. Несмотря на кажущуюся простоту, при таком подходе можно столкнуться с рядом серьезных опасностей при монтаже. В частности, при ошибке в полярности подключения ШИМ-преобразователь сразу выходит из строя.
Очень важным параметром любого импульсного блока питания является величина гармонических и нелинейных искажений формы питающего напряжения, которые он создает в сети. Они отрицательно сказываются на проводке электросети и потребителях, подключенных к ней. Это влияние выражается не только в различных помехах, которые сказываются на чувствительных электроприборах, но также и в самой трехфазной сети, в нулевом проводнике которой могут протекать токи, превышающие токи в фазных проводниках. Причина состоит в том, что импульсный БП потребляет из сети мощность лишь на пиках питающего напряжения; потребляемый ток имеет форму небольшого импульса и содержит в себе широкий набор гармонических составляющих. В случае симметричной нагрузки в нулевом проводнике высшие гармоники тока компенсируют друг друга (сдвиг фаз относительно друг друга составляет 120°), но это не относится к высшим гармоникам, кратным трем, которые в нулевом проводнике окажутся сложенными.
Коэффициент мощности l — комплексный показатель искажения потребляемой из сети мощности, который учитывает не только сдвиг фазы, но и искажение формы потребляемого тока (наличие гармонических составляющих). ГОСТ Р 51317.3.2-2006 устанавливает нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С (таблица 1).
Таблица 1. Нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С
| Порядок гармонической составляющей, n | Максимальное допустимое значение гармонической составляющей тока, % основной гармонической составляющей потребляемого тока |
|---|---|
| 2 | 2 |
| 3 | 30 l * |
| 5 | 10 |
| 7 | 7 |
| 9 | 5 |
| 11≤n≤39 (только для нечетных гармонических составляющих) | 3 |
| * Коэффициент мощности цепи | |
При этом данные нормы устанавливаются для световых приборов с активной потребляемой мощностью более 25 Вт, однако следует полагать, что распространение энергоэффективных маломощных светодиодных светильников заставит существенно снизить эту планку или вовсе отменить ограничение.
Для минимизации вносимых в сеть искажений применяют устройства, компенсирующие вышеуказанные помехи и приближающие коэффициент мощности к единице. В то время как для приборов с фиксированной потребляемой мощностью применяют пассивные компенсационные конденсаторы (например, в ПРА для металл-галогенных или люминесцентных ламп), в импульсные БП интегрируют активные компенсационные устройства, максимально приближающие их характеристики к резистивным в широком диапазоне подключенных нагрузок.
Несоблюдение этих норм негативно сказывается как на качестве питающей электроэнергии, так и на работе устройств и состоянии инфраструктуры. Предприятия, превышающие эти нормы, облагаются штрафами и вынуждены устанавливать дополнительные конденсаторные установки. Однако потребление электрической энергии предприятием в большой степени прогнозируемо, что и позволяет обойтись пассивной коррекцией.
Блоки питания на ШИМ с компенсаторами вносят крайне малые искажения в сеть. Например, серия мощных БП EUC (рис. 3) от Inventronics обеспечивает значение коэффициента мощности в пределах 0,97…0,99.
Рис. 3. Общий вид БП Inventronics серии EUC
КПД современных блоков питания с широтно-импульсными модуляторами достигает величины 92% и более, что немаловажно, т.к. затрачиваемая ими энергия уходит в нагрев. Соответственно, чем выше КПД, тем меньше требуется эффективная площадь рассеяния радиатора и, соответственно, тем меньше будут габариты и масса БП, за которыми, безусловно, следует снижение стоимости драйвера.
В настоящее время БП производятся с корпусами в различном исполнении: как для установки внутрь СП, встройки в мебель или размещения в помещениях, так и во влагозащищенных корпусах с различными показателями пылевлагозащиты (IP): от IP23, допустимых к установке в сухих помещениях, и IP54 для установки во влажных помещениях и под навесом, до влагозащищенных с корпусами IP67, подходящих для установки снаружи помещений. Малораспространенная группа БП с IP68 предназначена для установки в грунт без дополнительных корпусов.
Цветовые характеристики светодиода также могут отклоняться при изменении тока питания. Например, диаграмма зависимости цветовых координат от рабочего тока мощного светодиода Osram Dragon plus (рис. 4) показывает относительное смещение цветовых координат излучения.
Рис. 4. Зависимость смещения цветовых характеристик светодиода от тока питания
В первую очередь это относится к световым приборам с возможностью управления и создания различных цветодинамических сцен. Так при использовании световым прибором большого диапазона рабочих токов цветовые координаты в пространстве могут смещаться на 0,01 единиц по оси x и на 0,015 единиц по оси y. Это смещение в холодном белом диапазоне может достигать несколько сотен Кельвин (до 700К). Но в повседневных применениях этот фактор практически не заметен. Влияние изменения величины питающего тока исчезает в случае питания светодиодов ШИМ-сигналом, а управление можно осуществлять изменением скважности сигнала.
Заключение
На рынке появился большой объем светодиодной продукции, оснащенной качественными БП и самыми различными видами оптики. Большая их часть производится с использованием мощных светодиодов. Ряд приборов ведущих мировых производителей можно уже считать проверенными временем, так как они не первый год успешно и безотказно работают на самых различных объектах в России и за рубежом.
СЕТЕВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ LED СВЕТИЛЬНИКОВ
В январском номере журнала радио есть статья “Простой источник питания на BP2857D для светодиодных светильников” Схема довольно простая, да и микросхема дешевая, 8 грн с копейками. Так вот, случайно попал на эту статью и решил сделать такой источник питания. Валялись у меня без дела 2 планки со светодиодами последовательная сборка из 12 1-ваттных групп. Каждая группа состоит из 4 светодиодов в параллель заявленный ток до 300 мА, напряжение 36 В. Взял профиль алюминиевый 60х20х30 длиной 60 см, планки со светодиодами зашкурил наждачкой Р800 шкурить надо, так как во время их резки по краям есть кромки и будет плохой контакт с теплоотводом. Промазал пастой с промежутками, а в промежутках (на планку их 4 по 2 см) намазал теплопроводящим клеем и приклеил планки к профилю.
Печатную плату развел по быстрому (скачать файл), под те компоненты которые были в наличии – все с горелых энергосберегающих ламп. Со схемы исключил ККМ. Основные требования в схеме – это дроссель L3, выдрал его с энергосберегайки, проварил в чайнике, разобрал и перемотал по новой, зазор оставил какой есть там около 0.75 мм, подбирал витками до 1000 мкГн.
Спаял, первое подключение через лампу, затем нагрузил лампочку 220 В 150 Вт и подобрал токозадающие резисторы, в моем случае 3 штуки в паралель по 2.2 Ом, ток 240 мА. За час работы на плате нагрелся только дроссель до 30-35 градусов, профиль со светодиодами также нагрелся где-то до 35 градусов. Диода HS1K не было, был установлен SF28.
Статья из журнала Радио
Основа БП – микросхема BP2857D (см. даташит). При желании можно удалить помехоподавляющий фильтр C1-C4L1L2RU1, пассивный корректор коэффициента мощности (микросхема не имеет встроенной функции коррекции коэффициента мощности) VD5-VD7C6C7R1 и увеличив ёмкость конденсатора С5 до 33 мкФ. Источник, собранный по данной схеме, имеет следующие технические характеристики:
- Входное переменное напряжение 165. 265 В
- Выходной ток 350 мА
- КПД не менее 93%
- Нестабильность выходного тока не более 3%
- Интервал выходного напряжения 60. 110 В
- Коэффициент пульсаций светового потока 1%
- Коэффициент потребляемой мощности (PF) 0,91
В момент подачи сетевого напряжения встроенный в микросхему DA1 полевой транзистор открыт. Ток протекает по цепи: плюс диодного моста (корректора коэффициента мощности), сток полевого транзистора (выводы 5 и 6 микросхемы DA1), исток (вывод 8), токоизмерительный резистор R2-R4, дроссель L3, нагрузка, минус диодного моста. В это время дроссель накапливает энергию, одновременно заряжается конденсатор С10. Когда полевой транзистор закроется, нагрузка начнёт питаться запасённой в конденсаторе С10 энергией, а дроссель L3 станет поддерживать ток через диод VD9, подпитывая конденсатор С10. Микросхема DA1 контролирует напряжение на конденсаторе С10 через делитель R8R9C8.
Вывод 8 микросхемы является одновременно и истоком полевого транзистора, и входом токоизмерительной цепи. Падение напряжения на датчике тока R2-R4 служит для контроля микросхемой протекающего через полевой транзистор и нагрузку тока. Моменты открывания и закрывания коммутирующего полевого транзистора зависят от уровней напряжения на выводах 8 и 2 микросхемы. Запуск и питание микросхемы осуществляются через делитель R5-R7. Цепь R10VD8, подключённая к выводу 4 микросхемы, – дополнительное питание в рабочем режиме. Три параллельно включённых резистора R2-R4 позволяют выставить выходной ток с большой точностью. При желании можно обойтись и одним резистором мощностью 0,5 Вт.
Гантелевидный дроссель L1 – стандартный, подходящего размера, с индуктивностью 3 мГн и допустимым током не менее 150 мА. Вместо диодов SMA4007 (VD1-VD4) можно использовать любые малогабаритные выпрямительные для поверхностного монтажа с допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Диоды корректора мощности VD5-VD7, а также VD8 – малогабаритные быстродействующие FR107FH в исполнении для поверхностного монтажа или аналогичные. Диод VD9 – сверхбыстродействующий HS1K или аналогичный. Для выходного тока 350 мА резисторы токоизмерительного шунта R2-R4 должны иметь сопротивление 1,6 Ом каждый.
В общем схема вполне приличная и рекомендуемая к повторению, единственный недостаток – нет гальванической развязки от сети. Автор схемы: В. Лазарев, г. Вязьма Смоленской обл. Испытание и фото: djsanya123
Обсудить статью СЕТЕВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ LED СВЕТИЛЬНИКОВ
Конструкция и фотографии самодельного светодиодного фонарика, изготовленного на основе преобразователя для мобильника.
| КАК ПРОШИТЬ PIC КОНТРОЛЛЕР Блок питания как «слабое звено» светодиодного светильникаПри описании технических характеристик светодиодных светильников в рекламных материалах обычно особый упор делается на типы используемых в них светодиодов. Тем не менее, надежность современных светильников определяется уже не только и не столько светодиодами, сколько блоком питания. Но некоторые важные параметры данного узла не сообщаются производителями даже по запросу. Поэтому задача выбора осветительных приборов с качественными блоками питания является весьма сложной, тем не менее, она решаема. Причины, по которым производители при продвижении светильников на рынок делают упор именно на параметры светодиодов, имеют исторические корни. Предыдущие источники света имели срок службы, значительно меньший, чем у пускорегулирующей аппаратуры (ПРА). В итоге сложилось представление, что источник света — наименее долгоживущая часть устройства. Светодиоды отличаются прежде всего большим сроком службы — в среднем около 50000 часов. Если светильник работает по 10 часов в сутки, то его срок службы, обусловленный параметрами светодиодов, составит более 13,5 лет. Этот промежуток времени уже сопоставим со сроком службы других узлов светильника или даже превышает его. Особенности терминологииПроблема выбора начинается с весьма запутанной терминологии. Блоком питания (БП) принято называть источник питания для радиоэлектронной аппаратуры, преобразующий электрическую энергию от сети для согласования ее параметров с входными параметрами отдельных узлов аппаратуры. Подавляющее большинство светодиодов питаются от постоянного тока и имеют напряжение питания менее 4 В. Если соединить светодиоды последовательно, то такая цепочка будет иметь большее напряжение питания. По ряду причин соединение светодиодов в цепочки длиной более 15 штук практикуется очень редко. То есть напряжение питания массива светодиодов в осветительном приборе обычно не превышает 60 В. В то же время, сети электропитания, в зависимости от страны, дают напряжение 100 – 240 В переменного тока. Для согласования параметров питания светодиодов и параметров сети электропитания обязательно требуется блок питания. Следует отметить, что термин «блок питания» является устоявшимся понятием, широко используемым в инженерной практике. Тем не менее, он не закреплен официально ГОСТ Р 52907-2008, в котором присутствует только определение источника питания. В прежнем варианте ГОСТ официально также было закреплено понятие «вторичный источник питания», которое в ГОСТ Р 52907-2008 отсутствует. Использование термина «блок питания» позволяет дистанцироваться от автономных источников питания, т.е. гальванических элементов и аккумуляторов. Кроме этого, для обозначения БП часто жаргонно используется термин «драйвер». На самом деле, драйвер — это устройство, которое стабилизирует ток, питающий светодиоды. Также некоторые драйверы способны регулировать световой поток у светодиодов, т.е. диммировать их. Но драйвер не выполняет функций преобразования питающего напряжения и выпрямления тока. Поэтому узел, отвечающий за питание светодиодов в светильниках на напряжение 12 или 24 В — это драйвер. Но при питании от сети 220 В речь идет именно о БП. Тем не менее, на некоторых БП можно встретить слово driver, означающее в данном контексте стабилизацию выходного тока. В светотехнике устройства, осуществляющие согласование параметров питания источников света и электросети, исторически назывались балластами или ПРА. Специалисты по светотехнике при переходе на светодиоды не стали отказываться от привычного для них терминов и стали использовать их применительно к БП для светодиодов. Еще одним термином, которым не всегда правильно обозначают блоки питания в светодиодных светильниках, является «электронный трансформатор». Данное устройство, на самом деле, только преобразует напряжение в более низкое и повышает частоту переменного тока с 50 (или 60, в зависимости от стандарта электросети, принятого в стране) до нескольких единиц или десятков килогерц. Питание светодиодов напрямую от электронного трансформатора применяется только в гирляндах и другой аналогичной декоративной светотехнической продукции. Терминология для светодиодных светильников в части устройств электропитания пока не закреплена ГОСТ, в проектах стандартов используется термин «электронное управляющее устройство». Справедливости ради следует заметить, что путаница с терминологией распространена и за рубежом. Термин power supply unit (блок питания) или просто power supply (источник питания) в светотехнике используется крайне редко. В рекламных материалах часто встречается обозначение блока питания как driver (драйвер), а вообще, широко распространено использование обозначение БП в светодиодных светильниках как ballast (балласт). Классификация БППо месту размещения БП делятся на внутренние (размещаются внутри корпуса светильника) и внешние (размещаются вне корпуса). При этом внешние БП могут идти в комплекте со светильником или приобретаться отдельно. По своей конструкции БП можно разделить на две большие категории — изолированные и неизолированные. Особенностью изолированного БП является то, что его выход не имеет гальванической связи с входом. Благодаря этому достигается более высокий уровень электрической безопасности устройства. Электрический потенциал на выходе исправного БП изолированного типа ни при каких условиях не достигнет опасной величины. В принципе, БП изолированного типа — это и есть та самая классическая конструкция БП на основе трансформатора, используемая на протяжении многих десятилетий. К сети через преобразователь подключена первичная обмотка трансформатора, нагрузка через выпрямитель присоединяется ко вторичной обмотке. Отличия от классического варианта в том, что трансформатор работает не на частоте сети, а на более высокой частоте, а также в наличии гальванически развязанной обратной связи для стабилизации напряжения или тока. Изолированные БП стоят относительно дорого, но они хорошо справляются с бросками напряжения и импульсными помехами, которые есть в российских электрических сетях.
Неизолированные БП имеют гальваническую связь с выходом. Поэтому, хотя разница потенциалов между линиями на выходе такого БП представляет собой безопасную величину, не превышающую для светодиодных светильников значение 60 В постоянного тока, тем не менее, потенциал между одной из линий на выходе и землей может быть сопоставим с сетевым напряжением, т.е. принимать опасное значение. Преимуществами неизолированных БП являются компактность, низкая цена и немного больший КПД, чем у неизолированных БП. Поэтому неизолированные БП так любят производители очень дешевых светильников — помимо низкой стоимости БП, более высокий КПД позволяет использовать светодиоды с меньшей светоотдачей. Неизолированные БП также широко применяются в светодиодных лампах-ретрофитах, но здесь в ряде случаев без них обойтись нельзя из-за малых размеров.По причине низкой электробезопасности, неизолированные БП могут быть только внутренними. Недостатком неизолированных БП является проникновение на выход мощных импульсных помех, которые «гуляют» по сети. К тому же, при установке выключателя в разрыв нулевого провода (что бывает, когда светодиодные светильники устанавливают взамен существовавшего ранее освещения) светодиоды в светильнике, оснащенном таким БП, слабо светятся в выключенном состоянии. Все это приводит к преждевременному выходу светодиодов из строя.
Усовершенствованные неизолированные БП нередко жаргонно называют PFC от слов Power Factor Correction — корректировка коэффициента мощности. Они обладают большим значением коэффициента мощности по сравнению с обычными неизолированными БП — около 0,9 против 0,6. В таких БП частично решены проблемы, вызывающие преждевременный выход светодиодов из строя. Тем не менее, все равно, они проигрывают изолированным БП по части устойчивости к броскам напряжения. Почему «слабое звено»?Электронные компоненты БП работают под напряжением до 242 В переменного тока. При авариях на сетях электропитания напряжение может кратковременно возрастать до 456 В переменного тока. Удары молнии, коммутация мощного электрооборудования и некоторые другие факторы приводят к возникновению импульсных помех с амплитудой до 4000 В. Поэтому к качеству электронных компонентов БП предъявляются особые требования. Срок службы светодиодов зависит от того, сколько времени они светили. В отличие от этого, срок службы БП связан не только со временем работы, но и со временем хранения. То есть, если вы не включали светильник, а только его хранили на складе, то через некоторое время его БП все равно выйдет из строя. Это связано с особенностями электролитических конденсаторов, используемых в БП — они постепенно деградируют из-за испарения электролита. В среднем электролитический конденсатор можно использовать на протяжении не более 10 лет с момента выпуска. В неправильно спроектированном БП электролитический конденсатор перегревается, что сокращает его срок службы. В некоторых современных дорогостоящих БП проблема решена полной заменой электролитических конденсаторов на керамические, которые являются практически «вечными» электронными компонентами. Читаем между строкПроизводители светодиодных светильников практически всегда публикуют информацию об используемых светодиодах, но редко когда раскрывают данные о БП. Тем не менее, можно составить свое представление о том, качественный или нет блок питания, по параметрам светильников, которые производитель открыто публикует. В первую очередь, это коэффициент мощности λ (иногда его обозначают как cos φ, что для светодиодных светильников не совсем правильно). Чем больше этот параметр, тем лучше. Для качественного блока питания он должен быть не менее 0,85. Упрощенные БП, имеющие низкую надежность, обычно выдают себя низким значением λ.
БП от ведущих производителей характерно высокое значение коэффициента мощности, примером тому является данное устройство от Osram Производители светильников, конечно, знают, что именно БП, а не светодиоды, ограничивает срок службы осветительного прибора. Поэтому, хотя и указывают «срок службы светодиодов 50000 ч», тем не менее, гарантийный срок устанавливают, исходя из цифр по всему светильнику. Обычно исходят из того, сколько лет проработает светильник, будучи включенным круглосуточно. Например, гарантийный срок на светодиодные светильники средней ценовой категории обычно составляет 3 года. Умножаем этот срок на 8760 ч в году, и получаем 26280 ч — именно столько гарантированно будет работать светильник. Обратите внимание, что этот показатель очень близок к сроку службы типичного БП средней ценовой категории — 30000 ч. Но, самое главное — где расположен блок питания и как он выглядит. Если он внешний и подключается к светильнику через разъем, то однозначно является изолированным (на прямое нарушение правил электробезопасности производители обычно не идут). В том случае, если БП внутренний, но выполнен в виде отдельного унифицированного модуля от одного из ведущих производителей БП, то, скорее всего, тоже изолированный. Неизолированные БП обычно выполнены как неотъемлемая часть конструкции светильника. Производители БПТеоретически оптимальным выбором является БП, специально разработанный для определенной модели светильника. На практике это могут удачно реализовать либо компании, имеющие, помимо светотехнического, еще и мощный бизнес по производству электронных устройств (LG, Philips), либо светотехнические компании, чьи БП хорошо зарекомендовали себя на рынке (Osram). В остальных случаях предпочтительным вариантом является использование в светильнике БП от ведущих фирм, специализирующихся на данном виде продукции (Meanwell, Helvar, Vossloh-Schwabe и некоторые другие). Использование унифицированного БП легко заменяемой конструкции важно еще и для возможного ремонта светильника, так как БП обычно выходит из строя быстрее, чем светодиоды. Внешние блоки питания, не входящие в комплект поставкиНа рынке встречаются светодиодные светильники, имеющие низкое напряжение питания (обычно 12 или 24 В). Они предназначены для питания от источника со стабилизированным выходным напряжением или от электронного трансформатора. Нередко БП в комплект поставки таких светильников не входит, что позволяет сэкономить средства, установив один БП на несколько светильников. Если светильник допускает питание как от переменного, так и от постоянного тока, то лучше использовать постоянный ток, т.е. устанавливать БП, а не электронный трансформатор. Выбирая внешний БП, следует иметь в виду, что максимальный КПД достигается в том случае, если нагрузка равна приблизительно 80% от номинального значения. Соответственно, умножив мощность подключенных к БП светильников на коэффициент 1,25, мы получим оптимальное значение номинальной мощности БП. Иногда мощность БП выбирают «на вырост» с учетом, что к нему позже дополнительно подключат светильники. Тогда суммарная мощность светильников «первой очереди» подключения должна быть в 1,2 раза больше минимальной мощности нагрузки БП, иначе будет срабатывать защита от холостого хода. Применение внешнего блока питания, не входящего в комплект поставки, дает возможность повысить надежность системы, так как в светильники встроены только драйверы. Электронные компоненты в них работают при низких напряжениях, так что их качество не так критично. А модель БП пользователь выбирает самостоятельно, исходя из своих потребностей, и может запросить на него всю необходимую информацию у поставщика. Расчет конденсатора для светодиодовНеобходимость подключить светодиод к сети – частая ситуация. Это и индикатор включения приборов, и выключатель с подсветкой, и даже диодная лампа. Существует множество схем подключения маломощных индикаторных LED через резисторный ограничитель тока, но такая схема подключения имеет определённые недостатки. При необходимости подключить диод, с номинальным током 100-150мА, потребуется очень мощный резистор, размеры которого будут значительно больше самого диода. Вот так бы выглядела схема подключения настольной светодиодной лампы. А мощные десяти ваттные резисторы при низкой температуре в помещении можно было бы использовать в качестве дополнительного источника отопления.
Применение в качестве ограничителя тока конде-ров позволяет значительно уменьшить габариты такой схемы. Так выглядит блок питания диодной лампы мощностью 10-15 Вт.
Принцип работы схем на балластном конденсаторе
В этой схеме конде-р является фильтром тока. Напряжение на нагрузку поступает только до момента полного заряда конде-ра, время которого зависит от его ёмкости. При этом никакого тепловыделения не происходит, что снимает ограничения с мощности нагрузки. Чтобы понять, как работает эта схема и принцип подбора балластного элемента для LED, напомню, что напряжение – скорость движения электронов по проводнику, сила тока – плотность электронов. Для диода абсолютно безразлично, с какой скоростью через него будут «пролетать» электроны. Расчет конде-ра основан на ограничении тока в цепи. Мы можем подать хоть десять киловольт, но если сила тока составит несколько микр оампер, количества электронов, проходящих через светоизлучающий кристалл, хватит для возбуждения лишь крохотной части светоизлучателя и свечения мы не увидим. В то же время при напряжении несколько вольт и силе тока десятки ампер плотность потока электронов значительно превысит пропускную способность матрицы диода, преобразовав излишки в тепловую энергию, и наш LED элемент попросту испарится в облачке дыма. Расчет гасящего конденсатора для светодиодаРазберем подробный расчет, ниже сможете найти форму онлайн калькулятора. Расчет емкости конденсатора для светодиода: С(мкФ) = 3200 * Iсд) / √(Uвх² — Uвых²) С мкФ – ёмкость конде-ра. Он должен быть рассчитан на 400-500В; Можно встретить еще такую формулу: C = (4,45 * I) / (U — Uд) Она используется для маломощных нагрузок до 100 мА и до 5В. Расчет конденсатора для светодиода (калькулятор онлайн):Для наглядности проведём расчёт нескольких схем подключения. Подключение одного светодиода
Для таких условий параметры конде-ра: 1,5мкФ, 400В. Подключение нескольких светодиодов
Для примера возьмём модель с шестью параллельными линиями из четырёх последовательных диодов. Напряжение питания – 4 * 3,5В = 14В; Для этой схемы параметры конде-ра: 9мкФ, 400В. Простая схема блока питания светодиодов с конденсатором
Разберём устройство без трансформаторного блока питания для светодиодов на примере фабричного драйвера LED ламы.
Какой конденсатор можно использовать для балласта? В качестве гасящих конденсаторов для светодиодов используются керамические элементы рассчитанные на 400-500В. Использование электролитических (полярных) конденсаторов недопустимо. Меры предосторожности Безтрансформаторные схемы не имеют гальванической развязки. Сила тока цепи при появлении дополнительного сопротивления, например прикосновение рукой с оголённому контакту в цепи, может значительно увеличится, став причиной электротравмы. Схемотехника блоков питания для светодиодных лент и не толькоСветодиоды заменяют таким типы источников света, такие как люминесцентные лампы и лампы накаливания. Практически в каждом доме уже есть светодиодные лампы, они потребляют гораздо меньше двух своих предшественников (до 10 раз меньше чем лампы накаливания и от 2 до 5 раз меньше, чем КЛЛ или энергосберегающие люминесцентные лампы). В ситуациях, когда необходим длинный источник света, или нужно организовать подсветку сложной формы в ход идёт светодиодная лента.
Led лента идеальна для целого ряда ситуаций, главное её преимущество перед отдельными светодиодами и светодиодными матрицами являются источники питания. Их легче найти в продаже почти в любом магазине электротоваров, в отличие от драйверов для мощных светодиодов, к тому же подбор блока питания осуществляется только по потребляемой мощности, т.к. подавляющее большинство светодиодных лент имеют напряжение питания в 12 Вольт.
В то время как для мощных светодиодов и модулей при выборе источника питания нужно искать именно источник тока с требуемой мощностью и номинальным током, т.е. учитывать 2 параметра, что усложняет подбор. В этой статье рассмотрены типовые схемы блоков питания и их узлы, а также советы по их ремонту для начинающих радиолюбителей и электриков. Типы и требования к источникам питания для светодиодных лент и 12 В led ламп Основное требование к источнику питания как для светодиодов, так и для светодиодных лент – качественная стабилизация напряжения/тока, вне зависимости от скачков сетевого напряжения, а также низкие выходные пульсации.
По типу исполнения блоки питания для LED продукции различают: Герметичные. Они сложнее в ремонте, корпус не всегда поддаётся аккуратной разборке, а внутри и вовсе может быть залит герметиком или компаундом. Негерметичные, для применения в помещении. Лучше поддаются ремонту, т.к. плата изымается после откручивания нескольких винтов. По типу охлаждения: Пассивное воздушное. Блок питания охлаждается за счёт естественной конвекции воздуха через перфорацию его корпуса. Недостаток – невозможность достигнуть высоких мощностей сохранив массогабаритные показатели; Активное воздушное. Блок питания охлаждается с помощью кулера (небольшого вентилятора, как устанавливают на системных блоках ПК). Такой тип охлаждения позволяет достичь большей мощности при аналогичных размерах с пассивным блоком питания.
Схемы блоков питания для светодиодных лент Стоит понимать, что нет в электронике такого понятия как «блок питания для светодиодной ленты», в принципе к любому устройству подойдёт любой блок питания с подходящим напряжением и током большим чем потребляемый прибором. Это значит, что информация описанная ниже применима к практически любым блокам питания. Однако в обиходе проще говорить о блоке питания по его предназначению для конкретного устройства. Общая структура импульсного блока питания Для питания светодиодных лент и другой техники последние десятилетия применяются импульсные блоки питания (ИБП). Они отличаются от трансформаторных тем, что работают не на частоте питающего напряжения (50 Гц), а на высоких частотах (десятки и сотни килогерц). Поэтому для его работы нужен генератор высокой частоты, в дешевых и рассчитанных на малые токи (единицы ампер) блоках питания часто встречается автогенераторная схема, она применяется в: электронных балластах для люминесцентных ламп; зарядных устройствах для мобильного телефона; дешевых ИБП для светодиодных лент (10-20 вт) и других устройствах. Схему подобного блока питания можно увидеть на рисунке (для увеличения нажмите на картинку):
Его структура следующая: 1. Голубым цветом выделен диодный мост, стоящий на входе блока питания он выпрямляет входное переменное напряжение, для питания следующих узлов постоянным напряжением величиной 220*1.41=310 В. В случае поломки – проверьте наличие и величину напряжения ДО моста и ПОСЛЕ него, если оно отсутствует – потребуется замена диодов или моста, если он собран в отельном корпусе. На схеме не указан, но по линии 220 В может присутствовать предохранитель или низкоомный резистор, прежде чем приступать к ремонту проверьте его целостность. 2. Коричневым обведен фильтр пульсаций, его главным элементом является C4 – электролитический конденсатор. Его ёмкость зависит от того, насколько сэкономил производитель, обычно до 220 мкФ на 400 Вольт. L1 – фильтр пульсаций и электромагнитных помех, которые возникают при работе импульсного блока питания. В большинстве дешевых блоков питания он отсутствует. Частая проблема фильтра – высыхание, взрыв или вздутие электролитического конденсатора, приводит к некачественной работе всего импульсного блока питания в целом или его полной неработоспособности. Заменить его можно таким же и большей ёмкости, но подходящим по размеру. 3. Зеленым цветом выделена силовая часть VT1 силовой транзистор, в данном случае полевой, но может быть и биполярный. T1 – импульсный трансформатор с тремя обмотками: первичной, вторичной и базовой. Третья обмотка необходима для генерации высокочастотных колебаний – если интересен принцип работы автогенераторного блока питания лучше прочитать книги Моина, Зиновьева и другие учебники по источникам питания импульсного типа. Импульсные трансформаторы гораздо меньше по габаритам, чем сетевые, опять же из-за работы на высоких частотах и выполнены не из железа, а из феррита. Чаще всего выходит из строя силовой ключ.
Прозвоните транзистор мультиметром в режиме проверки диодов, и вы сразу обнаружите его пробой или обрыв. Остальные элементы – это обвязка этого узла, по отдельности редко выходит из строя, в основном вслед за силовым транзистором. Однако всегда стоит убедиться в соответствии номинальным значениям резисторов и конденсаторов. Диоды в обвязке трансформатора VD7 и VD5 выполняют роль снаббера защищая цепи от всплесков противо-ЭДС, в моменты переключения транзистора. Являются тоже довольно нагруженным и ответственным узлом. 4. Красным цветом выделена цепочка обратной связи по напряжению на базе регулируемого стабилитрона TL431 и их аналогов (любые буквы в обозначении с цифрами «431»). Дополнительная информация про TL431: Легендарные аналоговые микросхемы В состав ОС включена оптопара U1, с её помощью в силовую часть автогенератора поступает сигнал с выхода и поддерживается стабильное выходное напряжение. В выходной части может отсутствовать напряжение из-за обрыва диода VD8, часто это сборка Шоттки, подлежит замене. Также часто вызывает проблемы вздутый электролитический конденсатор C10.
Как вы видите всё работает с гораздо меньшим количеством элементов, надёжность соответствующая… Более дорогие и блоки питания Схемы, которые вы увидите ниже часто встречаются в блоках питания для светодиодных лент, DVD-проигрывателей, магнитол и других маломощных устройств (десятки Ватт). Прежде чем перейти к рассмотрению популярных схем, ознакомьтесь со структурой импульсного блока питания с ШИМ-контроллером.
Верхняя часть схемы отвечает за фильтрацию, выпрямление и сглаживание пульсаций сетевого напряжения 220, по сути аналогична как в предыдущем типе, так и в последующих. Самое интересное – это блок ШИМ, сердце любого достойного блока питания. ШИМ-контроллер – это устройство управляющие коэффициентом заполнения импульсов выходного сигнала на основании уставки, определенной пользователем или обратной связи по току или напряжению. ШИМ может управлять как мощностью нагрузки с помощью полевого (биполярного, IGBT) ключа, так и полупроводниковым управляемым ключом в составе преобразователя с трансформатором или дросселем. Изменяя ширину импульсов при заданной частоте – вы изменяете и действующее значение напряжение, сохраняя при этом амплитудное, вы можете проинтегрировать его с помощью C- и LC-цепей для устранения пульсаций. Такой метод называется Широтно-Импульсное Моделирование, то есть моделирование сигнала за счёт ширины импульсов (скважности/коэффициента заполнения) при постоянной их частоте. На английском языке это звучит, как PWM-controller, или Pulse-Width Modulation controller.
На рисунке изображен биполярный ШИМ. Прямоугольные сигналы – это сигналы управления на транзисторах с контроллера, пунктиром изображена форма напряжения в нагрузке этих ключей – действующее напряжение. Более качественные блоки питания малой средней мощности часто построены на интегральных ШИМ-котроллерах со встроенным силовым ключом. Преимущества перед автогенераторной схемой: Рабочая частота преобразователя не зависит ни от нагрузки, ни от напряжения питания; Более качественная стабилизация выходных параметров; Возможность более простой и надежной настройки рабочей частоты на этапе проектирования и модернизации блока . Ниже будут расположены несколько типовых схем блоков питания (для увеличения нажмите на картинку):
Здесь RM6203 – и контроллер и ключ в одном корпусе.
В этой схеме используется внешний MOSFET ключ.
То же самое, но на другой микросхеме. Обратная связь осуществляется с помощью резистора, иногда оптопары подключенной к входу с названием Sense (датчик) или Feedback (обратная связь). Ремонт таких блоков питания в общем аналогичен. Если все элементы исправны, и напряжение питания поступает на микросхему (ножка Vdd или Vcc), значит дело скорее всего в ней, более точно можно определить с помощью осциллографа просмотрев сигналы на выходе (ножка drain, gate). Практически всегда заменить такой контроллер можно любым аналогом с подобной структурой, для этого нужно сверить datasheet на тот, что установлен на плате и тот, что у вас в наличии и впаять, соблюдая распиновку, как это изображено на следующих фотографиях.
Или вот схематически изображена замена подобных микросхем.
Мощные и дорогие блоки питания Блоки питания для светодиодных лент, а также некоторые блоки питания для ноутбуков выполняются на ШИМ-контроллере UC3842.
Схема более сложная и надежная. Основным силовым компонентом является транзистор Q2 и трансформатор. При ремонте нужно проверить фильтрующие электролитические конденсаторы, силовой ключ, диоды Шоттки в выходных цепях и выходные LC-фильтры, напряжения питания микросхемы, в остальном методы диагностики аналогичны. Однако более подробная и точная диагностика возможна лишь с использованием осциллографа, в противном случае – проверьте короткие замыкания платы, пайку элементов и обрывы дороже. Может помочь замена подозрительных узлов на заведомо рабочие. Более совершенные модели источников питания для светодиодных лент выполнены на практически легендарной микросхеме TL494 (любые буквы с цифрами «494») или её аналоге KA7500. Кстати на этих же контроллерах построено большинство компьютерных блоков питания AT и ATX. Вот типовая схема блока питания на этом ШИМ-контроллере (нажмите на схему):
Такие блоки питания отличаются высокой надёжностью и стабильностью работы.
Краткий алгоритм проверки: 1. Запитываем микросхему согласно распиновки от внешнего источника питания 12-15 вольт (12 ножка – плюс, а на 7 ножку – минус). 2. На 14 ножки должно появиться напряжение 5 Вольт, которое будет оставаться стабильным при изменении питания, если оно «плавает» – микросхему под замену. 3. На 5 выводе должно быть пилообразное напряжение «увидеть» его можно только с помощью осциллографа. Если его нет или форма искажена – проверяем соответствие номинальным значениям времязадающей RC-цепи, которая подключена к 5 и 6 выводам, если нет – на схеме это R39 и C35, их под замену, если после этого ничего не изменилось – микросхема вышла из строя. 4. На выходах 8 и 11 должны быть прямоугольные импульсы, но их может не быть из-за конкретной схемы реализации обратной связи (выводы 1-2 и 15-16). Если выключить и подключить 220 В, на какое-то время они там появятся и блок снова уйдёт в защиту – это признак исправной микросхемы. 5. Проверить ШИМ можно закоротив 4 и 7 ножку, ширина импульсов увеличится, а закоротив 4 на 14 ножки – импульсы исчезнут. Если у вас получились другие результаты – проблема в МС. Это наиболее краткая проверка данного ШИМ-контроллера, о ремонте блоков питания на их основе есть целая книга «Импульсные блоки питания для IBM PC» . Хоть и посвящена она компьютерным блоками питания, но там много полезной информации для любого радиолюбителя. Вывод Схемотехника блоков питания для светодиодных лент аналогична любым блокам питания с подобными характеристиками, довольно хорошо поддаётся ремонту, модернизации и перестройки на необходимые напряжения, разумеется, в разумных пределах. Блок питания для светодиодного светильникаНезависимо от того, проектируете ли вы свой собственный светодиодный светильник, модернизируете существующие светильники или приобретаете новые светодиодные светильники, вам нужно будет найти правильный Блок питания для светодиодного светильника. Вам понадобится Блок питания светодиодный драйвер или источник постоянного напряжения (или их комбинация), чтобы ваши светодиоды работали правильно. При выборе Блока питания для светодиодного светильника необходимо учитывать множество факторов. Мы обсудим все факторы и поможет вам выбрать правильный источник питания для ваших светодиодов! p, blockquote 1,0,0,0,0 –> p, blockquote 2,0,0,0,0 –> Как выбрать блок питания для светодиодного светильника?ПЕРВОЕ … Убедитесь, что у вас есть контроль тока на светодиодах p, blockquote 3,0,0,0,0 –> Для большинства светодиодов требуется ограничивающее ток устройство (будь то драйвер или резисторы), чтобы предотвратить превышение тока светодиодов. Этот резистор постоянного тока или резистор с ограничением тока используется для регулирования тока на светодиодах, что позволяет им работать в безопасности и максимизировать их срок службы. Электрические характеристики светодиодов меняются по мере их нагрева(читайте нашу статью про температуру светодиодов); если ток не регулируется, светодиоды будут потреблять слишком много тока с течением времени. Это превышение тока приведет к изменению яркости светодиода, что приведет к высокой внутренней теплоте, что в конечном итоге приведет к сбою светодиода. Если вы строите свой собственный светодиодный светильник или работаете с любым из наших светодиодов компонентов, вам понадобится постоянное устройство в вашей системе. Большинство готовых светодиодных продуктов или светодиодных полосок (которые вы покупаете прямо из магазина) уже имеют драйверы или резисторы, встроенные для регулирования тока. Если вы не уверены, нужен ли вам источник постоянного тока, посмотрите на это полезный пост, чтобы узнать. p, blockquote 4,0,0,0,0 –> Источники постоянного напряженияИсточник питания постоянного напряжения может использоваться для питания светодиодных ламп, которые имеют резисторы или драйверы постоянного тока уже в системе. Эти типы продуктов обычно требуют питание от постоянного напряжения. Вам понадобится Блок питания для светодиодного светильника для преобразования сети переменного напряжения в безопасное постоянное напряжение для ваших источников света. Например, светодиодные ленты (Читайте нашу статью как подключить светодиодную ленту) имеют встроенные ограничители тока (как вы можете видеть встроенный в основании светодиодной ленты). Если вы хотите установить это в своем автомобиле, вам не понадобится блок питания. Батареи автомобилей выделяют 12 В постоянного тока. Питание 12 В от аккумулятора будет полностью адекватным для ваших источников света. Но для того, чтобы включить эти светодиодные ленты в домах, необходим преобразователь переменного тока в постоянный ток, который будет потреблять стандартное бытовое напряжение 220 В переменного тока и преобразовывать его в 12 В / 24 В постоянного тока. p, blockquote 5,0,0,0,0 –> p, blockquote 6,0,0,0,0 –> Какими характеристиками должен обладать блок питания для светодиодного светильника?Таким образом, вам нужен Блок питания для светодиодного светильника на постоянное напряжение, который может преобразовывать ваше бытовое напряжение переменного тока в безопасное постоянное напряжение. Есть много вещей, которые влияют на поиск правильного источника питания для ваших нужд. Во-первых, мы должны заблокировать требуемую мощность от источника питания. p, blockquote 7,0,1,0,0 –> Мощность.Чтобы начать, узнайте, сколько ватт потребляет ваш светильник. Если вы надеетесь запустить более одного светильнка от одного источника питания, вы должны суммировать мощность, чтобы найти общее количество потребляемых ватт. Удостоверьтесь, что у вас достаточно большой источник питания, давая себе 20% -ный запас над общей мощностью, которую вы рассчитываете на своих светодиодах. Это можно легко сделать, умножив общую мощность на 1,2, а затем найдя источник питания, рассчитанный на эту мощность. p, blockquote 8,0,0,0,0 –> Скажем, например, у нас есть 4 линии светодиодных полосок, которые работают примерно на 12 ватт каждый. Простое их умножение покажет, что наша мощность системы должна быть около 48 Вт. Теперь мы можем добавить 20% рекомендуемую подушку с 48 х 1,2 = 57,6 Вт. Для этого проекта достаточно 60-ваттного (или более высокого) источника питания. p, blockquote 9,0,0,0,0 –> Напряжение / Ток. |
Принципиальная схема программатора и пример пошаговой прошивки pic-контроллера.
Для расчета емкости конде-ра нам понадобится:
При расчете конденсатора для светодиодной лампы необходимо учитывать, что диоды в ней соединены группами.
