Анализ электронных источников питания и электромагнитных источников питания. Плюсы и минусы. Практика применения

История вопроса и терминология

Первые массово выпускаемые и доступные светодиоды в конце 60-х-начале-70-х годов XX века применялись в целях индикации, а не освещения [1]. В первую очередь из-за их малой световой отдачи, яркости и мощности, а во вторую — потому что они были цветными. Белые сверхъяркие светодиоды, которые сегодня зачастую подразумеваются под понятием «светодиод», среди них отсутствовали. Для питания таких цветных маломощных светодиодов применялись простейшие электронные схемы (см. рис. 1) в виде линейных стабилизаторов (ЛС).

Рисунок 1. Пример принципиальной схемы линейного стабилизатора постоянного тока

Характерной особенностью этих схем являлось отсутствие элементов, накапливающих энергию, таких как дроссели и конденсаторы. Вместо них применялись полупроводниковые элементы, такие как транзисторы, диоды, стабилитроны. В виду своей простоты и малых габаритов данные схемы не выделялись в отдельный источник питания и не имели собственного корпуса. Как правило, они располагались вместе со светодиодами на одной печатной плате.

Появление в 1994 году первого коммерческого яркого синего светодиода послужило толчком к созданию первых белых светодиодов в наиболее распространённом на сегодняшний день виде: с люминофором. Но, несмотря на то, что первые образцы белых светодиодов с люминофорным покрытием появились уже в 1996 году, их высокая стоимость и невысокая по сравнению с современными светодиодами эффективность не способствовали широкому применению в области освещения. Лишь во второй половине 2000-х годов сверхъяркие белые светодиоды начали активно применяться в освещении, постепенно набирая обороты. Мощность этих светодиодов значительно возросла по сравнению с применяемыми для индикации монохромными светодиодами, соответственно, возросли и потери мощности в источнике питания, применение линейных стабилизаторов стало невыгодно.

На сцену вышли электронные импульсные источники питания (ИИП), более дорогие, конструктивно и технологически более сложные, но обладающие гораздо лучшей эффективностью. Кроме того, ИИП позволяли обеспечить более высокую точность и стабильность тока через светодиоды, что было важно для первых коммерчески успешных белых светодиодов, предъявлявших высокие требования к качеству питания.

Отличительной особенностью класса импульсных источников питания является обязательное наличие накопительного реактивного элемента (см. рис. 2) (конденсатор, дроссель, трансформатор) и силовых полупроводниковых элементов (транзистор, диод).

Рисунок 2. Структурная схема импульсного источника питания светодиодов на основе понижающего преобразователя постоянного тока

В отличие от схем с линейными стабилизаторами, где полупроводниковые элементы работают непрерывно, в импульсных источниках питания формирование тока через светодиоды обеспечивается короткими импульсами. Во время этих импульсов полупроводниковые элементы включаются и выключаются, обеспечивая накопление поступающей из внешнего источника питания электрической энергии (будь то сеть переменного тока или источник постоянного напряжения) с помощью реактивных элементов, затем выводя эту энергию в нагрузку, на светодиоды. Импульсный принцип работы и дал название всему семейству источников питания.

Современные мощные белые светодиоды значительно дешевле тех, что были доступны на рынке 10 лет назад, а их эффективность значительно выше. При этом требования к качеству питания они предъявляют значительно более мягкие и многое «прощают». Всё это приводит к тому, что для ряда приложений может оказаться выгодным применение электромагнитных источников питания (ЭМИП). Электромагнитные источники питания, как и электронные импульсные, имеют реактивный элемент — дроссель (см. рис. 3), но, в отличие от них, используют его не для накопления энергии, а в качестве реактивного сопротивления для ограничения тока через светодиоды, т.е. дроссель здесь является балластом.

Рисунок 3. Структурная схема электромагнитного источника питания светодиодов

По эффективности ЭМИП превосходят на средних и больших мощностях линейные стабилизаторы, но уступают импульсным. Выгодным отличием электромагнитных источников питания от импульсных является надёжность (меньше элементов — меньше шансов выхода из строя), конструктивная простота, ремонтопригодность, меньшая стоимость.

Текущее положение дел

На данный момент линейные стабилизаторы довольно широко применяются в области освещения: для питания светодиодов в составе бегущих строк, декоративных светильников, ретрофитных ламп, светильников для транспортных средств, медицинских светильников, портативных фонариков и пр. Линейные стабилизаторы сегодня можно встретить даже в бытовых холодильниках. Однако общая доля линейных стабилизаторов среди всех источников питания для светодиодов крайне мала: 1-2 %. Оставшуюся часть занимают импульсные источники питания. И это неудивительно, т.к. они позволяют сделать компактный, эффективный, относительно недорогой драйвер для светодиодных светильников любой мощности. Электромагнитные источники для питания светодиодов начали рассматривать относительно недавно [2], и широкого распространения они пока не получили.

Если в процентном соотношении ситуация ясна, то в абсолютных величинах картина остаётся туманной. Чтобы оценить мировые масштабы обратимся к информации британской аналитической компании IHS (рис. 4).

Рисунок 4. Распределение по уровню мощности источников питания для светодиодов

Помимо общей тенденции к увеличению количества произведённых светодиодных источников питания в мире, мы видим, что согласно прогнозу продажи источников питания средней мощности (25-59 Вт), применяемых в основном для внутреннего освещения и ритейла, к 2020 году составят порядка 2 миллиардов штук в год — 53.7 % от общего количества. И приблизительно столько же будет продано источников питания малой мощности (менее 25 Вт) для ЖКХ и бытового потребления — 44.9 % от общего количества. При этом источники питания высокой мощности (60-150 Вт) составят около 80 миллионов шт. в год — менее 2 % от общего количества.

Характерные особенности электронных импульсных источников питания

Общей чертой всех импульсных источников питания для светодиодов является стабилизация выходного тока, т.е. при изменении напряжения в сети, ток светодиодов будет неизменным. Среди всего многообразия топологий схем импульсных источников питания наибольшее распространение получили две.

Однокаскадная

Импульсные источники питания, построенные по однокаскадной топологии, любимы многими производителями за простоту и невысокую стоимость. В основе данной топологии лежит совмещение функций коррекции коэффициента мощности и стабилизации тока в одном преобразователе (см. рис. 5). Если требуется гальваническая развязка, то в этой роли выступает обратноходовой преобразователь (flyback converter), если можно обойтись без развязки, то источник строится на основе повышающе-понижающего преобразователя (buck-boostconverter).

Рисунок 5. Структурная схема однокаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Простота и дешевизна достигнуты использованием всего одного реактивного моточного элемента — дросселя или трансформатора, в зависимости от требования гальванической развязки. Кроме того, используется один силовой полупроводниковый элемент для запасания энергии в трансформаторе, и ещё один для её вывода. Данная топология оказалась оптимальной по стоимости, габаритным размерам, эффективности, стабильности и точности поддержания выходных параметров для большинства светодиодных нагрузок мощностью от 10 до 100 Вт с номинальными токами от 150 до 2000 мА. При повышении мощности и/или увеличении выходного тока оптимальность однокаскадной топологии достаточно легко ставится под вопрос.

Особенности однокаскадной топологии

Пусковой ток в сети при подаче напряжения питания равен или незначительно превышает номинальный потребляемый ток. Например, если включить в сеть 230 В однокаскадный ИИП мощностью 60 Вт, амплитуда броска тока будет порядка 260 мА. Почему этот параметр важен? Потому что, если пусковой ток значительно превышает номинальный, может сработать защитный автомат на линии питания и обесточить всю линию.

Нормальным значением коэффициента мощности для однокаскадной топологии можно считать величину в пределах 0.95-0.97. Эта величина зависит от мощности светодиодной нагрузки и входного напряжения, и обычно меняется в диапазоне от 0.85 до 0.99. Ещё одной важной особенностью однокаскадной топологии является ограниченный диапазон рабочей выходной мощности. Проще говоря, вы не сможете запитать светодиодную нагрузку мощностью 10 Вт от источника питания мощностью 40 Вт. Он, скорее всего, даже не включится, хотя по току драйвер вам подходит. Большинство однокаскадных источников питания не работают при мощности нагрузки менее 50 % максимальной.

Также источники питания для светодиодов, выполненные по однокаскадной топологии, не могут диммироваться до нуля. Как правило, диммирование для них доступно в диапазоне от 10 % до 100 % номинального выходного тока.

Снижение пульсаций светового потока и, соответственно, освещённости может достигаться двумя путями. Первый — увеличение ёмкости выходных фильтрующих конденсаторов, что влечёт за собой рост габаритов источника и его стоимости. Второй — применение активного фильтра с использованием полупроводниковых элементов, что лишь незначительно увеличивает стоимость, но эффективность понижает на 1-2 %. Поэтому не стоит гнаться за сверхнизким значением пульсации светового потока без крайней на то необходимости, платить за это придётся снижением КПД.

Двухкаскадная

В основе двухкаскадной топологии лежат по сути два отдельных преобразователя, объединённых на одной печатной плате и помещённые в общий корпус.

Рисунок 6. Структурная схема двухкаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Один преобразователь выполняет функцию корректора коэффициента мощности, другой — обеспечивает требуемый режим работы светодиодов. Количество реактивных и силовых полупроводниковых элементов в данной топологии как минимум в два раза больше по сравнению с однокаскадной, что обуславливает увеличение стоимости в сравнении с однокаскадной топологией. ИИП, выполненный по двухкаскадной топологии, способен показать высокую эффективность при высоких значениях выходных токов (2 А и выше) и/или при низком сетевом напряжении (110 В). Наибольшее распространение получили источники питания по двухкаскадной топологии на мощности от 100 до 250 Вт. В этом диапазоне мощностей их более высокая по отношению к однокаскадным ИИП стоимость компенсируется более высокой эффективностью и меньшими размерами.

Особенности двухкаскадной топологии

Пусковой ток при подаче питания на вход ИИП может превышать номинальный на несколько порядков. К примеру, при включении в сеть 230 В двухкаскадного ИИП мощностью 100 Вт амплитуда броска тока может составлять 20-50 А, в то время как номинальный ток потребления составит всего 0.43 А. Этот момент необходимо учитывать при выборе защитного автомата. Для борьбы с этим неприятным эффектом могут применяться специальные устройства, ограничивающие бросок пускового тока в линии. Либо можно применять более дорогие источники питания, в которых аналогичный ограничитель встроен.

Коэффициент мощности в двухкаскадной топологии очень высок, обычно 0.98-0.99, и зависит от напряжения сети и нагрузки в меньшей степени, чем в однокаскадной топологии.

Одним из неоспоримых преимуществ двухкаскадных ИИП является возможность обеспечения постоянного тока светодиодов в широком диапазоне выходной мощности. Т.е. речь уже о 10-100 % максимальной выходной мощности, а не о 50-100 %, как у однокаскадных.

Также двухкаскадные ИИП хорошо диммируются до нулевого значения выходного тока.

Наличие двух каскадов, каждый из которых работает на частотах в десятки и сотни килогерц позволяет источнику обеспечить сверхнизкие пульсации светового потока. Типовое значение пульсации светового потока светильника с двухкаскадным источником питания — 0.5 %.

Характерные особенности электромагнитных источников питания

Стоит упомянуть, что сама по себе идея использовать реактивное сопротивление для ограничения тока светодиодов не нова. Довольно давно и с определённым успехом применяются схемы питания с балластной ёмкостью, в которой в качестве токоограничивающего реактивного элемента применяется конденсатор (см. рис. 7).

Рисунок 7. Структурная схема источника питания с балластной ёмкостью

Однако мощность таких схем составляет 1-3 Вт. В этом диапазоне можно использовать ёмкости небольших габаритов, способные уместиться даже в цоколь ретрофитной светодиодной лампы. При дальнейшем увеличении мощности обойтись одним-двумя конденсаторами не получается, приходится использовать целую батарею конденсаторов, соединяя их параллельно. Габариты и цена при этом вырастают до неприличных размеров.

На больших мощностях 60-300 Вт гораздо эффективнее применять в качестве реактивного элемента дроссель. Найти готовый, подходящий по параметрам дроссель не всегда представляется возможным, придётся его рассчитывать и изготавливать. Но в ряде случаев могут подойти готовые дроссели, применяемые для питания газоразрядных ламп.

На мощностях 3-60 Вт использовать для питания светодиодов токоограничивающий дроссель можно, но ИИП будет дешевле и компактнее. Характерной особенностью схем с реактивным сопротивлением, будь то балластная ёмкость или электромагнитный балласт, является зависимость тока светодиодов от входного сетевого напряжения. Чем выше напряжение, тем больше будет ток (см. рис. 8).

Рисунок 8. Зависимость выходного тока от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Кроме того, ток светодиодов также будет зависеть и от величины напряжения на светодиодах, т.е. от того, в каком количестве и как они соединены. Существует оптимальное напряжение на светодиодах, при котором из сети передаётся максимальная мощность, а пульсации светового потока при этом минимальны [3].

Зависимость тока СД от входного напряжения на первый взгляд — существенный минус. При разработке светильника нужно быть уверенным, что светодиоды не перегреются и не выйдут из строя во всём диапазоне входного напряжения, возникает необходимость применения более дорогих и мощных светодиодов с запасом по максимально допустимому току.

С другой стороны такое поведение выходного тока — плюс, поскольку светодиодные светильники с электромагнитным источником питания с успехом могут быть применены в работающих с газоразрядными лампами системах управления освещением. Например, АСУНО «БРИЗ» компании «Светосервис ТМ» или АСУНО «Кулон» компании «Сандракс».

Кроме того, возможно создание локальной супербюджетной системы управления освещением. Например, вам необходимо осветить небольшую автостанцию с 8-ю светодиодными светильниками 100 Вт, и при этом вы хотите снижать освещённость в ночные часы, но не хотите платить за систему управления освещением, которая стоит дороже, чем все ваши светильники вместе взятые. Для реализации этой задачи всё, что вам понадобится — подсоединить светильники к сети питания через лабораторный автотрансформатор мощностью 1-1.5 кВА. Стоимость решения меньше стоимости одного светильника. Конечно, регулирование придётся осуществлять руками, и это не всегда приемлемо. Но можно не сомневаться, что найдётся немало потребителей, для которых стоимость решения перевесит подобные недостатки.

Коэффициент мощности в ЭМИП также зависит от входного напряжения (см. рис. 9). При номинальном напряжении питания 230 В коэффициент мощности величиной 0.97-0.99 достигается тем же образом, что и в электромагнитных балластах для газоразрядных ламп: подключением конденсатора, компенсирующего сдвиг фазы между сетевым напряжением и потребляемым током. Величина ёмкости этого конденсатора будет зависеть от индуктивности дросселя и мощности светильника.

Рисунок 9. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

От входного напряжения будет также зависеть и эффективность ЭМИП (см. рис. 10). Чем ниже входное напряжение, тем выше КПД источника питания. При этом учтем, что снижение тока через светодиоды приводит к возрастанию их световой отдачи. В результате снижение потребляемой мощности приводит к увеличению эффективности всего светильника, и световой поток снижается меньше. На примере образца светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50с ЭМИП можно отметить (см. рис. 11), что изменение напряжения питания с 220 В до 170 В приводит к снижению потребляемой мощности почти в два раза (на 45 %), а световой поток снижается только на треть (на 34 %).

Рисунок 10. Зависимость эффективности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Рисунок 11. Относительное изменение характеристик в образце светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50 с электромагнитным источником питания

Светодиодный светильник с ЭМИП при правильном расчёте способен выдержать кратковременные скачки сетевого напряжения до 300-380 В. При этом, конечно, ток через светодиоды будет превышать номинальный в 1.5-2 раза, но современные мощные светодиоды способны переносить такие скачки без последствий. Если высокое напряжение появилось на входе источника питания надолго, например, при обрыве нулевого проводника в линии питания, то светильник будет работать на повышенной мощности. Сколь долго? Необходимо испытывать в каждом конкретном случае. Но стоит учитывать, что при обрыве нулевого проводника должна сработать защитная автоматика на линии. Но если есть основания полагать, что она не сработает, то светильнику понадобится дополнительная защита от повышенного входного напряжения.

ЭМИП для светодиодов способен работать без фильтрующих электролитических конденсаторов по выходу. Пульсации светового потока при этом будут близки к 100 %, но зато можно таким образом добиться стабильной надёжной работы при экстремальных температурах от -70 до +95 °С.

При необходимости простым способом снизить пульсации светового потока, можно всё же применить электролитические конденсаторы. Их наличие в источнике питания не является принципиальной помехой для использования его при низких температурах. При включении светильника на температуре -60 °С ток заряда конденсаторов будет ограничен реактивным сопротивлением дросселя и не окажет разрушающего воздействия на замёрзшие конденсаторы.

Высокая надёжность ЭМИП обусловлена малым количеством элементов (меньше шансов сломаться), их высокой помехозащищённостью и стойкостью к внешним воздействиям (сложно вывести из строя дроссель).

Основная сложность, связанная с использованием ЭМИП для питания светодиодов, заключается в том, что источник питания не может восприниматься как чёрный ящик с заранее известными характеристиками. Для каждой конкретной светодиодной нагрузки требуются испытания, требуется тщательное исследование тепловых режимов светодиодов и источника в составе светильника во всём диапазоне сетевого напряжения, требуется подбор индуктивного сопротивления. Всё это занимает как минимум несколько итераций, чаще всего в продаже требуемого дросселя не оказывается, а при отсутствии собственного моточного производства, его заказ на стороне ещё больше затянет сроки вывода светильника на рынок.

Выводы

Подводя итог, можно сказать, что нет повода говорить о конце эпохи электронных импульсных источников питания в освещении. Наоборот, с каждым годом в мире их выпускается всё больше. Там, где требуется высокая эффективность, компактность, низкий уровень пульсаций светового потока, высокая точность и стабильность, электронные импульсные источники питания вне конкуренции. Там, где во главу угла ставится низкая стоимость, надёжность и возможность работы при низких температурах, перспективно выглядят электромагнитные источники питания.

Е.С. Ошуркова,
технический консультант ООО «БЛ Трейд»

Список литературы:
1. Георгобиани С.А., Горев Л.В., Клыков М.Е., Коваленко Е.А. Электромагнитные ПРА для светодиодов. Светотехника, № 4, 2013.
2. Клыков М.Е. Устройства питания светодиодов при включении в сеть переменного тока. Светотехника, № 6, 2010.
3. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008.