Автор предлагает вниманию читателей два варианта источника питания для светодиодных светильников (их ещё называют LED-драйверами), один из них - второй - по многим параметрам можно отнести к источникам высокого класса (премиум-класса).
За последние несколько лет светодиод стал, без сомнения, самым популярным источником света, всё активнее вытесняя прочие виды. Так, если раньше светодиод ассоциировался с индикаторным прибором и был знаком в основном техническим специалистам, то в наши дни, слово это стало обиходным и чуть ли не синонимом обыкновенной лампы накаливания. И в этом нет ничего удивительного, ведь как только современные технологии позволили получить и запустить в массовое производство светодиоды белого свечения со светоотдачей более 100 лм/Вт, что более чем в десять раз превышает показатель лампы накаливания и в два-три раза компактной люминесцентной лампы, вопрос экономии энергоресурсов получил новое решение. Чем и не преминули воспользоваться разработчики и производители осветительных приборов во всём мире, с невероятной скоростью заполняя рынок светодиодными "аналогами" всех существующих видов ламп и светильников. К тому же светодиоды, в силу своей высокой технологичности и надёжности, малых габаритов и пр., позволяют создавать источники света самых разнообразных форм, размеров, конструкций и назначения, предлагая всё новые экономичные решения. И одна из самых массовых областей применения светодиодного освещения - это офисные потолочные светильники мощностью в пределах, приблизительно, от 18 до 48 Вт. Ими сейчас оснащают как новые строящиеся объекты, так и существующие, заменяя парк устаревших люминесцентных светильников.
Любой светодиодный светильник можно условно разделить на две составляющие: собственно светодиоды и источник питания - источник стабилизированного тока, часто называемый драйвером, LED-driver (англ.) для них. Обе они в равной степени определяют технические характеристики, качество и цену светильника. Если же светодиод определяет световой поток и цветовую температуру, то от его источника питания зависят не менее важные параметры, такие как коэффициент пульсаций светового потока, коэффициент потребляемой мощности и пр. Да и надёжность светодиодного светильника в основном определяется надёжностью его источника питания. Сейчас на рынке представлен широчайший ассортимент как готовых светильников, так и светодиодных модулей и источников питания для них по отдельности. Проведя сравнительный анализ нескольких десятков моделей источников питания мощностью до 50 Вт (управляемые и с функцией регулирования - диммирования - не рассматривались) от различных производителей, в том числе и отечественных, был составлен обобщённый перечень основных параметров, которыми должен обладать высококачественный LED-драйвер, который можно отнести к премиум-классу:
В этой статье хотелось бы поделиться некоторым опытом разработки источника питания, удовлетворяющего перечисленным требованиям, а также привести пример простой переделки старого светильника с люминесцентными лампами в светодиодный. Интервал выходного напряжения выбран в пределах 60...120 В. Интервал регулировки выходного тока - в пределах 240...350 мА, что обеспечивает возможность подключения большинства распространённых светодиодных линеек.
Вариантов схемотехнических решений для решения подобной задачи может быть много. Но наиболее распространённым и очевидным здесь представляется обратноходовый преобразователь с гальванической развязкой (в иностранной литературе носящий название fly-back). Существует огромное число специализированных микросхем для построения такого преобразователя, как минимум несколько десятков семейств. И сделать выбор в пользу какой-либо конкретной микросхемы можно, исходя, порой, только из личных симпатий. В радиолюбительской практике выбор зачастую делается, основываясь лишь на цене и доступности микросхемы. Также очень весомым доводом при выборе служит наличие на сайте производителя необходимой справочной информации и, желательно, примеров использования конкретной микросхемы. В нашем случае выбор пал на микросхему UCC28810D. Эта микросхема - по сути, универсальный ШИМ-контроллер импульсного источника питания, на ней можно собрать как обратноходовые, так и прямоходовые преобразователи, понижающие и повышающие. Также важным достоинством микросхемы является наличие встроенной функции коррекции потребляемой мощности. Это позволяет реализовывать преобразователи с коэффициентом потребляемой мощности (PF - Power Factor) не менее 0,9 без применения дополнительного корректора. Полное описание микросхемы можно найти, например, в [1]. Там же, на сайте производителя (Texas Instruments), размещено большое число готовых примеров (reference designs) источников питания с использованием UCC28810D, предназначенных для светодиодного освещения, что значительно облегчило процесс разработки. В нашем случае за основу взят вариант [2]. Переработке подверглась в основном вторичная часть. Довольно редкий специализированный ОУ TL103WD заменён на распространённый и недорогой LM258D, а также добавлена возможность регулировки выходного тока. Схема получившегося источника приведена на рис. 1.
Рис.1. Схема источника питания
Рассмотрим кратко основные узлы и принцип работы устройства. Во вторичной цепи установлен датчик тока - резисторы R22, R23. Он подключён к входам дифференциального усилителя DA2.1, коэффициент усиления которого равен 37,5. Далее усиленный сигнал подаётся на инвертирующий вход ОУ DA2.2. На его неинвертирующий вход поступает образцовое напряжение с регулируемого источника на параллельном стабилизаторе DA3. ОУ DA2.2 выполняет функцию компаратора. Как только напряжение на инвертирующем входе превысит образцовый уровень (на неинвертирующем входе), напряжение на выходе DA2.2 снизится до нуля и оптопара U1 откроется. В результате микросхема DA1 уменьшит время открытого состояния транзистора VT2 и ток через нагрузку снизится до установленного значения. С помощью переменного резистора R27 можно регулировать образцовое напряжение на неинвертирующем входе компаратора DA2.2 и соответственно ток через нагрузку (светодиоды). Например, при токе нагрузки 350 мА напряжение на неинвертирующем входе DA2.2 - около 3,5 В, примерно в среднем положении движка резистора R27. При превышении напряжения на выходе 125...128 В, например, в режиме холостого хода, откроется составной стабилитрон VD14-VD16 и компаратор DA2.2 также откроет оптопару U1, а микросхема DА1 уменьшит время открытого состояния транзистора VT2.
На транзисторе VT3 и регулируемом источнике образцового напряжения DА4 собран стабилизированный (11,8 В) источник питания ОУ и оптопары.
Питание микросхемы DА1 в момент включения осуществляется через резисторы R7, R8. В установившемся режиме микросхема питается от дополнительной обмотки трансформатора T1 через стабилизатор на транзисторе VT1. Эта же обмотка через резисторы R13, R16 подключена к входу TZE (вывод 5) DА1, который служит для контроля момента нулевой энергии трансформатора Т1, что необходимо для определения момента очередного открытия транзистора VT2. Полное описание и принцип работы микросхемы UCC28810D можно найти в [1].
Описанный источник питания после сборки, налаживания и испытаний показал следующие характеристики:
Входное переменное напряжение, В................185...245
Выходной регулируемый ток, мА .................240...390
Нестабильность выходного тока (зависимость от входного напряжения), %, не более ....................1
Нестабильность выходного тока (зависимость от времени, за 24 ч), %, не более ............................ 1
Интервал выходного напряжения, В.................60...126
КПД, %, не менее .................92
Коэффициент пульсаций светового потока, %...........≈12
Коэффициент потребляемой мощности (PF), не менее 0,95
Из них следует, что, вопреки ожиданиям, источник не соответствует одному из самых важных требований, приведённых в начале статьи, - коэффициенту пульсаций светового потока. Полученное значение 12 % также не соответствует санитарно-эпидемиологическим правилам и нормативам [3] к освещению помещений, предназначенных для работы за компьютером (должно быть не более 5 %), но вполне подходит, например, для уличного освещения, складского помещения, тренажёрного зала и пр. Коэффициент пульсаций светового потока измерялся люксметром ТКА-ПКМ(08) при подключении нагрузки в виде четырёх последовательно соединённых светодиодных линеек суммарной мощностью 42 Вт и потребляемым током 350 мА. На осциллографе (рис. 2) эти пульсации выглядят как фон частотой 100 Гц размахом всего лишь 3,6 В на постоянном уровне около 100 В (вход осциллографа - в режиме переменного напряжения).
Рис. 2. Осциллограмма пульсаций
Поскольку на разработку (расчёт некоторых элементов, трассировка платы, сборка и пр.) потрачено немало времени, было решено устройство доработать и всё же добиться соответствия всем требованиям. Самым простым способом уменьшения коэффициента пульсаций представляется увеличение ёмкости сглаживающего конденсатора С16. При её увеличении с 330 до 1000 мкФ (три параллельно включённых конденсатора 330 мкФ на 160 В) коэффициент пульсаций светового потока опускался ниже 5 %, что хорошо, но всё же недостаточно. К тому же габариты всего устройства увеличились чуть ли не вдвое, да и стоимость высоковольтных оксидных конденсаторов не маленькая.
Гораздо лучший результат даёт увеличение ёмкости конденсатора С8. При замене плёночного конденсатора С8 оксидным ёмкостью 47 мкФ коэффициент пульсаций светового потока светильника снижался до желаемого 1 %. Но в этом случае возникает, что ожидаемо, другая проблема - коэффициент потребляемой мощности уменьшается с 0,95 до 0,5. Происходит это вследствие значительного увеличения ёмкостной составляющей входного сопротивления драйвера, иными словами, устройство превращается в ёмкостную нагрузку для сети. Вполне логичное решение в этом случае - включить между помехоподавляющим входным фильтром и преобразователем активный корректор коэффициента мощности. Можно, конечно, использовать и более простой пассивный корректор, но эффективность его гораздо ниже. Подобная доработка значительно увеличивает общее число элементов и усложняет устройство, но главная задача - добиться заявленных показателей, поэтому было решено воспользоваться этим вариантом.
Схема отличий доработанного устройства приведена на рис. 3. Нумерация элементов продолжает начатую на рис. 1. Узел корректора коэффициента мощности подключён в разрыв плюсового провода питания, обозначенный на схеме рис. 1 крестом. Кроме этого, параллельно выходу установлены конденсатор ёмкостью 1 нФ (С29) и резистор сопротивлением 1 МОм мощностью 0,25 Вт (R55). Удалены диоды VD1, VD2 (см. рис. 1), последовательно с резисторами R1 и R2 (мощностью 0,125 Вт) установлен ещё один сопротивлением 1 МОм мощностью 0,125 Вт (на плате обозначен как R54), один его вывод соединён с верхним по схеме выводом резистора R1, а другой подключён к катоду диода VD19 (рис. 3). Между выводами 1 и 3 стабилизаторов DA3 и DA4 подключены конденсаторы: между выводами DA3 ёмкостью 1 нФ (С27), DA4 - 10 нФ (С28). Параллельно конденсатору С20 ёмкостью 4,7 мкФ (вместо 0,1 мкФ) установлен ещё один такой же ёмкости (4,7 мкФ).
Рис. 3. Схема отличий доработанного устройства
Кроме того, изменены номиналы некоторых элементов. Ёмкость конденсатора С1 увеличена до 0,2 мкФ, с1 1 - до 4,7 мкФ, С17 - до 0,1 мкФ, С8 - уменьшена до 0,1 мкФ, С16 - до 100 мкФ, С18 - до 0,047 мкФ, С19 - до 2,2 мкФ, С9 - 150 пФ, оксидный конденсатор С6 заменён керамическим ёмкостью 4,7 мкФ. Резисторы R22, R23 (датчик тока) заменены одним сопротивлением 1 Ом мощностью 1 Вт. Сопротивление резистора R17 - 1 Ом, мощность рассеяния - 0,25 Вт. Вместо двух параллельно соединённых резисторов (R18, R19) установлен один той же мощности сопротивлением 1 Ом. Сопротивление резистора R3 - 13 кОм, R4 - 10 кОм, R7 и R8 - 120 кОм, R20 и R24 - 1,8 кОм, R21 и R25 - 36 кОм, R26 - 10 Ом. Стабилитрон BZV55C51 (VD16) заменён на BZV55C18, а BZV55C15 (VD8) - на BZV55C18. Вместо диода HS2K (VD11) применён HS1J.
Активный корректор мощности выполнен на специализированной микросхеме L6561D (DA5). Принцип действия типового активного корректора мощности иллюстрирует график на рис. 4. Когда транзистор VT4 открыт, первичная обмотка трансформатора Т2 оказывается подключённой к выходу диодного моста VD3-VD6, и в ней происходит накопление энергии. В это время источником питания остальной части устройства служит конденсатор С26. Когда ток через первичную обмотку до-стигает максимального значения, транзистор VT4 закрывается, а трансформатор Т2 начинает отдавать всю накопленную энергию через диод VD19 конденсатору С26. Этот процесс повторяется многократно (пилообразный ток через первичную обмотку Т2 показан на графике красным цветом) за полупериод сетевого напряжения (синяя кривая на графике), в результате форма среднего потребляемого тока близка к синусоидальной (показана зелёным цветом). Частота управляющих импульсов определяется микросхемой DА5, она зависит от мгновенного значения сетевого напряжения и скорости разрядки конденсатора С26. С помощью делителя R49-R53, подключённого к входу INV (вывод 1) DА5, на выходе корректора установлено напряжение 390 В. Делителем R40-R43, подключённым к входу MULT (вывод 3) DА5, устанавливают интервал рабочего напряжения сети, в нашем случае корректор поддерживает постоянный уровень 390 В на конденсаторе С26 в интервале входных напряжений от 90 до 265 В. Питается корректор через диод VD20 от стабилизированного источника на транзисторе VT1 (см. рис. 1). В связи с этим он начинает работать только после запуска обратноходового преобразователя. Вход CS (вывод 4) DА5 служит для контроля тока через транзистор VT4. С выхода GD (вывод 7) управляющие импульсы поступают на затвор транзистора VT4. Вход ZCD (вывод 5) микросхемы служит для определения момента, когда ток через трансформатор уменьшается почти до нуля. Более подробное описание работы микросхемы приведено в [4].
Рис. 4. График иллюстрирующий принцип действия типового активного корректора мощности
Второй вариант драйвера имеет следующие характеристики:
Входное переменное напряжение, В.................90...265
Интервал выходного напряжения, В.................60...126
Выходной регулируемый ток, мА .................240...390
Нестабильность выходного тока (зависимость от входного напряжения), %, не более ....................1
Нестабильность выходного тока (зависимость от времени, за 24 ч), %, не более ......................... 1
КПД, %, не менее.................87
Коэффициент пульсаций светового потока, %, не более ......................... 1
Коэффициент потребляемой мощности (PF), не менее 0,97
Как видно, второй вариант соответствует всем предъявленным требованиям. Небольшим недостатком можно считать меньший КПД. Осциллограмма переменной составляющей (пульсаций) выходного напряжения приведена на рис. 5. Для наглядности настройки осциллографа и светодиодная нагрузка использовались те же, что и для рис. 2. Та же нагрузка использовалась и при снятии следующих осциллограмм: на рис. 6 верхняя (зелёного цвета) осциллограмма - напряжение на стоке транзистора VT2, нижняя (жёлтая) - на затворе; на рис. 7 верхняя (зелёная) - на стоке транзистора VT4, нижняя (жёлтая) - на затворе.
Рис. 5. Осциллограмма пульсаций выходного напряжения
Рис. 6. Осциллограмма выходного напряжения
Рис. 7. Осциллограмма выходного напряжения
Печатные платы разработаны к обоим вариантам. Чертёж платы для первого варианта приведён на рис. 8, расположение элементов - на рис. 9, для второго - на рис. 10, расположение элементов - на рис. 11 . Платы изготовлены из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита FR-4. Все элементы для поверхностного монтажа расположены на стороне печатных проводников, выводные - на противоположной.
Рис. 8. Чертёж платы для первого варианта
Рис. 9. Расположение элементов
Рис. 10. Чертёж платы для второго варианта
Рис. 11. Расположение элементов
Дроссель помехоподавляющего фильтра L2 намотан на магнитопроводе Е19/8/5 (Epcos) и имеет индуктивность 350 мГн, каждая обмотка содержит по 130 витков провода диаметром 0,25 мм. Дроссель L1 - стандартный гантелевидный индуктивностью 3 мГн, рассчитан на ток не менее 0,3 А. Трансформатор Т1 в обоих вариантах драйвера одинаков и выполнен на маг-нитопроводе Е25/13/7 (Epcos) из материала N27 с зазором 0,5 мм. Первичная обмотка (I) состоит из двух частей и содержит 47+22 витка двухжильного провода, диаметр жилы - 0,3 мм. Индуктивность первичной обмотки - 0,7 мГн. Вторичная обмотка (III) содержит 53 витка трёхжильного провода, диаметр жилы - 0,3 мм. Дополнительная обмотка II содержит 13 витков одножильного провода диаметром 0,3 мм. Порядок расположения обмоток следующий: вначале наматывают первую часть первичной обмотки - 47 витков, затем - вторичную, затем вторую часть первичной - 22 витка и самая верхняя - дополнительная обмотка.
Трансформатор корректора мощности имеет такой же магнитопровод с таким же зазором. Его первичная обмотка содержит 175 витков одножильного провода диаметром 0,3 мм, вто-ричная - 7 витков. Индуктивность первичной обмотки - 2,5 мГн. Резисторы R20-R26, R28-R37 желательно использовать с допуском 1 %, остальные - 10 %. Конденсаторы для поверхностного монтажа для второго варианта драйвера С5, С7, С9, С12, С13, С17, С18, С22, С28 - типоразмера 0603, С6, С11, С19, С20, С21, С23, С24, С27 - типоразмера 0805, С30 - типоразмера 1206. Конденсаторы для поверхностного монтажа для первого варианта драйвера С5, С7, С9, С12, С13, С17, С18 - типоразмера 0603, С11, С19, С20 - типоразмера 0805. С14 (для обоих вариантов) - высоковольтный (на номинальное напряжение 630 В) типоразмера 1812. Быстродействующие диоды серии HS2 и MURS160 можно заменить аналогичными, LL4148 - любыми импульсными с обратным напряжением не менее 50 В. Транзисторы MMBT2222ALT1, STP5NK80Z и PZTA42 также можно заменить на аналоги. В первом варианте STP5NK80Z (VT2) можно заменить более низковольтным, например STP5NK60Z. Резисторы R18, R28 и параллельно R48 не устанавливают, места для них на плате предусмотрены для возможности точной настройки.
Устройство смонтировано в подходящем по размерам жестяном корпусе от ЭПРА люминесцентного светильника, от него же использована и изолирующая прокладка, в которую необходимо обернуть плату драйвера перед установкой в корпус. Транзистор VT2 необходимо прикрепить к металлической стенке корпуса винтом или с помощью скобы. Этого теплоотвода вполне хватает при мощности нагрузки от 35 до 50 Вт, транзистор при этом не нагревается выше 50 оС, в случае меньшей мощности теплоотвод не нужен. При эксплуатации драйвера без металлического корпуса с нагрузкой мощностью более 35 Вт к транзистору VT2 необходимо прикрепить любой стандартный малогабаритный теплоотвод. Корпус для драйвера несложно согнуть, например, из корпуса компьютерного блока питания, от него же подойдёт и изолирующая плёнка.
Всего было изготовлено десять экземпляров варианта драйвера с корректором мощности (см. рис. 3), первые пять из них уже успешно отработали более полугода с максимальной нагрузкой 50 Вт. Фотографии собранной платы второго варианта устройства приведены на рис. 12, рис. 13 - с подключённой нагрузкой (на фото рис. 12 использован "звёздный" фильтр). В качестве нагрузки применены светодиодные линейки NEO-L-18R2834_520 отечественного производителя "НЕОН-ЭК". Каждая такая линейка содержит 18 светодиодов SEL-WW2835-3K, которые включены тремя параллельными цепочками, из шести последовательно соединённых светодиодов.
Рис. 12. Собранная плата второго варианта устройства
Рис. 13. Собранная плата второго варианта устройства с подключённой нагрузкой
Правильно собранное устройство начинает работать сразу и в налаживании не нуждается, но всё же лучше и безопаснее запускать драйвер поэтапно. Начинаем с вторичной части. Для этого понадобится лабораторный источник питания с выходным напряжением хотя бы 15...20 В, способный отдавать ток до 500 мА. Его подключают параллельно конденсатору С16 и убеждаются, что на эмиттере транзистора VT3 появилось напряжение 11,6...11,8 В. Затем подключают к выходу устройства амперметр и нагрузку. В качестве нагрузки необязательно использовать светодиодные модули, подойдёт и мощный проволочный резистор такого сопротивления, чтобы ток был, например, 300 мА. К выводам 3 и 4 оптопары U1 подключают омметр или мультиметр в режиме омметра или прозвонки. Движок переменного резистора R27 устанавливают в нижнее по схеме положение (в положение максимального сопротивления). Теперь, плавно перемещая движок резистора вверх, убеждаются, что оптопара открывается при токе нагрузки (показании амперметра) 300 мА. Движок при этом должен находиться примерно посередине. Можно также проверить открытие оптопары при разных значениях тока, изменяя сопротивление нагрузки. Далее отключают лабораторный источник, нагрузку с амперметром оставляют и переходят к проверке обратноходового преобразователя. Предварительно отключают корректор мощности - выпаивают транзистор VT4 и трансформатор Т2 или замыкают его первичную обмотку (см. рис. 3). Подключают драйвер к сети 230 В, обязательно через лампу накаливания и ещё один амперметр. Если всё в порядке, то при токе нагрузки 300 мА и с лампой мощностью 95 Вт потребляемый ток не должен превышать 210 мА, лампа при этом должна светиться примерно в треть накала. Убеждаются, что резистором R27 выходной ток регулируется во всём интервале: от 240 до 390 мА. И напоследок - подключают корректор мощности - лампа должна начать светить чуть ярче, но общий потребляемый ток не должен превышать 310 мА. Можно, конечно, проверять корректор мощности и отдельно, отключив его от остальной части устройства. Если всё прошло успешно, можно попробовать подключить драйвер к сети напрямую, без лампы - при напряжении сети 230 В и токе нагрузки 300 мА, потребляемый устройством ток не должен превышать 140 мА.
Если имеется в наличии старый люминесцентный светильник, например, с четырьмя лампами по 18 Вт, его несложно превратить в энергоэффективный светодиодный. От старого светильника понадобится только его корпус, всё остальное (лампы, стартёр и т. д.) удаляют. В основании корпуса равномерно размещают четыре-пять указанных ранее светодиодных линеек. Далее в нужных местах просверливают отверстия и приклёпывают или привинчивают линейки. Каждую линейку желательно равномерно приклепать в четырёх местах для обеспечения равномерного отведения тепла. Драйвер размещают и закрепляют на торцевой стороне светильника. Вариант получившегося светильника приведён на рис. 14 и рис. 15 (использован "звёздный" фильтр). Если есть желание и возможность, можно установить рассеиватель из полистирола или поликарбоната. Однако следует иметь в виду, что рассеиватель, естественно, значительно улучшает эстетические качества светильника, но в не меньшей степени ухудшает его световую отдачу.
Рис. 14. Вариант получившегося светильника
Рис. 15. Вариант получившегося светильника
Так, относительно прозрачный рассеиватель "Опал" уменьшает световой поток на 30...40 %!
Литература
1. LED Lighting Power Controller. - URL: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/ucc28810. pdf (12.05.16).
2. PFC Flyback LED Converter 40V-120V @ 0.35A. - URL: http://www.ti.com/tool/ PMP4522 (12.05.16).
3. Cанитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы (п. 6.14). - URL: http://www. docload.ru/Basesdoc/39/39082/index. htm#i68582 (12.05.16).
4. L6561 Power Factor Corrector. - URL: http://www. st.com/web/en/resource/ technical/document/datasheet/CD00001174. pdf (12.05.16).
Автор: В. Лазарев, г. Вязьма Смоленской обл.