Выбираем источник питания для светодиодного освещения

В этой статье рассказано, какие факторы следует учитывать при выборе готовых источников питания для LED-светильников.
Прежде, чем создавать систему светодиодного освещения с собственными источниками питания и драйверами, необходимо определиться: «А так ли уж необходимо «городить огород»?

Сейчас на рынке имеется достаточно много готовых светодиодных осветительных приборов, работающих от общедоступных сетей переменного тока. В этих приборах (лампах) уже имеется встроенный LED-драйвер, позволяющий не отвлекаться на монтаж схемы питания. Т.е. решение уже готово купотреблению. Большинство светодиодных решений в бытовом и жилищно-коммунальном секторах сводится лишь к замене устаревших ламп накаливания современными светодиодными лампами без необходимости замены элементов цепи.

Системы промышленного и коммерческого освещения чаще всего требуют специальных решений, поэтому при выборе источников питания для светодиодного освещения следует обратить внимание на такие составляющие:

1. Прежде всего необходимо определиться с установленной мощностью проектируемой светодиодной системы освещения. Сразу нежно определиться со схемой подключения светодиодов и источника питания: прямое, параллельное, с балластным резистором либо через LED-драйвер. (Особенности, преимущества и недостатки различных схем подключения мы подробнее рассмотрим в последующих публикациях.) Следует четко понимать, что последовательное соединение потребует применения источников питания со стабилизацией выходного напряжения (CV), параллельная схема требует контроля по току нагрузки (СС), в то время как комбинированные схемы требуют более сложных устройств со стабилизацией как по выходному току, так и по напряжению (CC + CV).
2. Исходя из условий эксплуатации по пыли и влаге, температурам, вибрациям, подверженности УФ-излучения, возможности механического повреждения и др. параметрам, выбираем необходимую степень защиты устройства (IP), установленный температурный диапазон эксплуатации и его типоисполнение: открытое/закрытое исполнение, металлический либо пластиковый корпус, силиконовое наполнение и др. характеристики.
3. Определиться, нужна ли функция коррекции коэффициента мощности (PFC). Насколько прецизионная? (Более подробно об особенностях коррекции коэффициента мощности мы также поговорим в дальнейшем.)
4. Будет ли осуществляться управление яркостью освещения? Следует учитывать возможность применения конкретного источника тока в схемах диммера.
5. При прямом подключении следует предусмотреть возможность подстройки выходных тока и напряжения.

В таблице приведены основные параметры для выбора источников питания светодиодных осветительных приборов.В большинстве светодиодных осветительных устройств и приборов к одному источнику питания подключается несколько светодиодов, чтобы обеспечить необходимые параметры системы по яркости и световому потоку. Между собой светодиоды могут быть подключены последовательно, параллельно либо последовательно-параллельно (матрица).

Простейший способ подключения, также называемый прямым подключением, — последовательная цепочка из нескольких светодиодов, непосредственно подключаемая к источнику питания (рис.1). При этом падение напряжения на клеммах источника питания равно сумме падений напряжений на отдельных светодиодах, а ток одинаков во всей цепи (C.V. method). Данное решение наиболее простое, самое бюджетное и при этом имеет наименьшие потери мощности (наибольший КПД).Однако такая схема применима лишь к самым простым устройствам, она не имеет возможности регулирования яркости светодиодов. Данная схема наименее надежна — выход из строя одного светодиода «потушит» всю цепь. Выходом может стать использование вместо последовательной схемы матричной (рис.2). При этом повышается надежность: выход из строя одного светодиода не приводит к погасанию всех светодиодов системы, но проявляется другая проблема. Нестабильность характеристик отдельных светодиодов в цепочке приводит к разбросу значений тока в разных цепочках (падение напряжения на каждой из цепочек будет одинаковым и равно падению напряжения на клеммах источника питания). Поскольку яркость светодиода пропорциональна току, то прямое подключение матричной схемы к источнику питания может привести к неравномерной яркости светодиодов в системе. Также неравномерно будет происходить процесс старения светодиодов в системе — некоторые из них будут со временем тускнеть быстрее, чем соседние.

Решение проблемы — балансирование тока в параллельных цепочках с помощью балластных резисторов, включаемых в каждую цепочку (рис.3). В данной схеме, как правило, используется источник питания с постоянным напряжением на клеммах (C.V. method), а токи в ветвях схемы определяются не только параметрами самих светодиодов, но и сопротивлениями балластных резисторов. Сопротивление резистора имеет большую стабильность, чем параметры светодиодов, и, кроме того, оно выбирается разработчиком схемы, т.е. выбором сопротивления балластного резистора можно управлять режимами работы схемы. По сравнению с предыдущей схемой, в этой можно добиться лучшей равномерности распределения токов между цепочками светодиодов. Схема проста в изготовлении и не содержит дорогостоящих компонентов. Подбор светодиодов по величине падения напряжения не требуется.

Такая схема достаточно проста. Она также относится к бюджетным решениям (отличается от прямого подключения лишь стоимостью резисторов). КПД такого решения несколько меньше, поскольку наблюдаются потери на нагрев резисторов. Кроме того, некоторый разброс значений токов в цепочках все равно наблюдается, как бы точно не были бы подобраны резисторы. Естественно, такая схема также не предполагает диммирования (регулирования яркости светодиодного источника света).

Оптимальный вариант — это использование специализированных микросхем (драйверов) для управления цепочками светодиодов (рис.4). Ток в каждой цепочке светодиодов регулируется с помощью драйвера, и точность распределения токов определяется параметрами драйвера. Микросхемы драйверов могут быть различными: линейными и импульсными. Линейные драйвера имеют меньший КПД, чем импульсные, но не создают проблем с помехами и наводками.Схема с драйвером обеспечивает наилучшее распределение токов и дает возможность использовать более распространенные источники постоянного напряжения. Кроме того, в этой схеме можно просто реализовать дополнительные функции управления, выбрав соответствующий драйвер. Развитием данного схемного решения может быть использование источника питания со встроенной схемой LED-драйвера.

К недостаткам схем с драйвером стоит отнести их меньший КПД и более высокую стоимость и сложность, — это профессиональные решения.

Как видим, каждое решение имеет как плюсы, так и минусы. Выбор схемного решения определяется особенностями и параметрами каждого конкретного приложения. В самом общем случае выбор источника питания можно свести к следующей последовательности действий:

• количество и тип светодиодов, необходимых для конкретного устройства, должны быть определены на основании требований к освещённости, рабочим дистанциям, габаритным размерам и прочим параметрам приложения;
• определяем используемую схему подключения светодиодов, в зависимости от требований конкретного приложения;
• определяем требуемую мощность источника питания для светодиодов на основании суммарной мощности, потребляемой схемой, с учётом необходимого запаса. Рекомендуемая величина запаса по мощности — 30…35%;
• проверяем необходимость наличия в источнике питания дополнительных возможностей (регулирование выхода, режим «С.С.+С.\/.»);
• по требуемым условиям эксплуатации выбираем источник питания с подходящей степенью защиты IР, конструкцией корпуса и диапазоном рабочих температур;
• проверяем допустимую выходную мощность для источника питания при максимальной температуре окружающей среды (если необходимо, то скорректировать требуемую мощность источника питания);
• определяем необходимость использования источника питания с коррекцией коэффициента мощности;
• определяем необходимость наличия сертификатов соответствия требованиям безопасности и иным нормативным документам.

Автор:   Ольга Панасюк, г. Киев

Источник: Радиоаматор №1, 2  2015