Электронный балласт для светодиодной лампы

Статья в стадии написания...

См. также:  Эффективное использование светодиодов. Советы конструктору.

Статья-обзор комплектующих и схемотехнических решений светодиодных электронных балластов - устройств для питания светодиодных ламп от сети переменного тока.

В последние годы, в связи с небывалым прогрессом в области технологии белых светодиодов, значительно усилился интерес потребителей к источникам светодиодного освещения как наиболее экономичному решению в области бытового и общественного освещения. Производители светодиодов предлагают на рынок всё более совершенные, с высоким качеством передачи цвета, мощные и экономичные твердотельные излучатели. Однако, почти никто не использует светодиоды отдельно, светодиодный источник света содержит оптику (отражатели, защитные стекла) и систему питания, от качества которых в значительной мере зависит качество и экономичность готового светильника, осветительного устройства. В этой статье рассмотрим существующие предложения производителей комплектующих по светодиодным драйверам - микросхем для устройств питания светодиодных ламп.

Единичный светодиод в большинстве случаев, является маломощным и низковольтным устройством. Хотя некоторые производители предлагают готовые светодиодные модули, рассчитанные на высокое напряжение (например, ParagonLED, различные CoB модули), основное количество светодиодных решений основано на светодиодах мощностью 1-3 Вт часто 0,5 Вт и менее. В общем то все модули высокого напряжения состоят из отдельных маломощных светодиодов или светодиодных чипов, расположенных в корпусе того или иного типа. Некоторые светильники содержат лишь один светодиод, другие имеют цепочку светодиодов, соединённых последовательно, либо содержат несколько таких цепочек в параллельном включении. Соответственно, устройства питания таких устройств должны удовлетворять этому разнообразию по току и напряжению.

Ограничение задачи

Светодиодные устройства имеют отчетливую тенденцию к удешевлению. Следовательно перспективное устройство питания должно иметь невысокую стоимость, при этом хорошо справляться с основной задачей - обеспечивать стабильный ток питания и обладать максимально высокой эффективностью. В последнее время, начали широко использоваться импульсные стабилизаторы тока без гальванической развязки с питанием непосредственно от сети переменного тока. Такие устройства обладают высокой эффективностью, малыми размерами и малым количеством компонентов на плате, хорошо выполняют основные функции и, в случае использования в закрытых конструкциях светильников, вполне безопасны. Основное применение - источники питания, встроенные в сменные лампы, в потолочные светильники, в уличные системы освещения.

Полностью универсальное устройство питания, если и можно создать, то оно будет недешёвым и, возможно немаленьким. В нашем случае, при питании от сети переменного тока, входное напряжение питания определяется уровнем выпрямленного сетевого напряжения. Поскольку, мостовая схема выпрямления, плюс сглаживающий конденсатор, дают существенный уровень пульсаций, для обеспечения непрерывного питания светодиодов и отсутствия мерцания, необходимо ограничить максимальное напряжение на светодиодной цепочке. Так, при использовании недорогого фильтрующего конденсатора в 10-20 мкФ и уровне потребления до 30 Вт, входное напряжение может проваливаться до 120-150 Вольт. Следовательно, цепочка светодиодов должна иметь общее напряжение не более 110 Вольт. Для обеспечения хорошей эффективности устройства, в схемах без использования трансформатора, выходное напряжение не должно отличаться от входного более, чем в 5-10 раз. Снижение выходного напряжения увеличивает потери в ключевом элементе. При мощности светильника в 5 и более Ватт, ток выходного ключа не должен превышать 1-2 ампера, иначе существенно увеличивается стоимость изделия.

Итак, рассмотрим устройство питания светодиодного светильника, который удовлетворяет следующим условиям:

• Входное напряжение 220 Вольт переменного тока, мостовая схема выпрямления.
• Выходное напряжение от 30 до 110 Вольт, одна или несколько цепочек светодиодов, CoB модуль.
• Выходной ток до 500 мА.
• Отсутствие гальванической развязки, трансформатора, для питания светильника в электрически безопасном корпусе.
• Отсутствие систем теплоотвода, радиаторов, вентиляторов. Рассеяние тепла за счет платы и компонентов.
• Минимальное количество и стоимость компонентов.

Обзор существующей комплектации

Если внимательно посмотреть существующие схематические решения, наиболее простое устройство питания имеет мостовой выпрямитель на входе, ключевой элемент с реактором - дросселем и цепочку измерения тока. Для такого типа устройств промышленность выпускает управляющие микросхемы и микросхемы с встроенным ключом. Вот что нашлось.

International Rectifier LEDrivIR:

• IRS25411 - Синхронный импульсный стабилизатор с внешним ключом (не рекомендован для новых разработок).
• IRS2980 - Инвертирующий гистерезисный импульсный стабилизатор с внешним ключом (не рекомендован для новых разработок).

Эти две микросхемы имеют корпус SOIC-8 и, в комплекте с внешним ключом, позволяют создать компактную и недорогую схему драйвера. Наиболее простая схема получается при использовании IRS2980. Для питания микросхемы используется встроенный линейный стабилизатор с максимальным напряжением до 400 Вольт, имеется встроенная схема диммирования. Драйвер работает на частоте 60 кГц, что позволяет использовать небольшой по размерам дроссель. Для работы требуется всего несколько внешних компонентов, максимальный выходной ток не превышает 350 мА. Эффективность готового устройства достигает 85%.

Производитель выпускает демо-плату и предоставляет референс дизайн. Это удобно при разработке нового устройства. Однако, опыт применения микросхемы показал её высокую чувствительность к помехам, в результате чего, микросхема выключается и повторное включение возможно только при перезапуске питания. Кроме того, отсутствие выходного фильтра даёт существенный уровень электромагнитного излучения, что ограничивает применение компактными экранированными устройствами. Видимо, всё это заставило производителя отказаться от дальнейшего выпуска этих микросхем.

Power Integrations:

• LYTSwitch0 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом.

LYTSwitch0 - это интегральный модуль с встроенным ключом в корпусе SOIC-8. Микросхема специально сконструирована для максимального снижения количества внешних компонентов, получает питание от проходящего через неё тока, содержит схему автоматического перезапуска, имеет ограничение выходной мощности и защиты от короткого замыкания, обрыва нагрузки и перегрева. Выходная мощность ограничена 7 Ваттами, выпускается несколько модификаций с различным выходным током. Эффективность устройства 91 - 92 %.

Taiwan Semiconductor предлагает несколько микросхем для реализации драйвера:

• TS19451CY - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOT89.
• TS19450CS, TS19460CS - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8
• TS19452CS, TS19453CS - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOIC8
• TS19720CX6, TS19702CX6 - импульсный стабилизатор с внешним ключом и активным корректором мощности в корпусе SOT-26

Производитель предлагает целый набор микросхем для реализации устройств питания светодиодов различной мощности. Заслуживают внимания драйверы с встроенным ключом, а также стабилизаторы с внешним ключом и активным корректором мощности TS19720CX6 и TS19702CX6 в компактных корпусах SOT-26. Микросхема TS19702CX6 имеет также функцию диммирования. Устройства на базе этих микросхем, судя по анализу демо-плат, имеют эффективность более 90% и коэффициент мощности более 95% при выходной мощности до 20 Ватт.

Fairchild Semiconductor:

• FL7701 - импульсный стабилизатор с внешним ключом и активным корректором мощности в корпусе SOIC8.
• FLS0116 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом и активным корректором мощности в корпусе SOIC8.

Особое внимание следует уделить микросхеме FLS0116, которая позволяет создать достаточно простое устройство с электронным корректором мощности. Эффективность готового сетевого драйвера составляет не более 80% при выходной мощности не более 3 Ватт. Блок питания на микросхеме FL7701 может достигать лучших параметров, но устройство получается посложнее - эффективность до 90%, коэффициент мощности более 90%, выходная мощность - более 30 Ватт.

Microchip Technology (Supertex Inc.):

• HV9801A, HV9910, HV9861A - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8.
• HV9921, HV9922, HV9923 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOT89, TO92 с фиксированным выходным током.
• HV9930 - импульсный гистерезисный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8.
• HV9925 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOIC8.
• HV9931 - импульсный стабилизатор с внешним ключом и электронным корректором мощности в корпусе SOIC8.

Интегральные стабилизаторы с встроенным ключом HV9921, HV9922, HV9923, позволяют создать простое устройство с выходной мощностью до 1 Ватта, с фиксированным выходным током 20mA для HV9921, 50mA для HV9922 и 30mA для HV9923. Микросхемы выпускаются в экономичном корпусе (SOT89, TO92) и имеют минимальное количество внешних компонентов. Эффективность устройства на базе этой микросхемы не превышает 80 %.

Заслуживает внимания микросхема HV9931, которая позволяет создать устройство с высоким коэффициентом мощности до 98 % и эффективностью до 83%. Выходная мощность определяется используемым внешним ключом и, согласно примерам использования, не превышает 15 Ватт.

В новой модификации микросхемы HV9910C добавлена защита от перегрева, что важно в высоковольтных приложениях, поскольку даже небольшой ток собственного потребления приводит к значительному тепловыделению встроенного линейного стабилизатора питания.

On Semiconductor:

• NCL30100 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в миниатюрном корпусе SOT-23.
• NCL30105, NCL30002 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8.
• LV5026MC - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC10.
• LV5011MD - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOIC10.
• Серия линейных стабилизаторов NSIxxx - линейные стабилизаторы на различный ток.

Компания выпускает большую номенклатуру микросхем - драйверов, но в основном для низковольтного питания. Для прямой работы от сети, производитель предлагает и другие микросхемы, но все они на мой взгляд, даже указанные в этом списке имеют существенно бóльшее количество внешних компонентов, чем заслуживают. При анализе предложений и референс-дизайнов возникло ощущение, что компания позиционирует себя в зоне низковольтных или более мощных и сложных решений и пока не предлагает хорошего решения для питания микросхем от проходящего тока или напрямую от сети.

Несмотря на то, что в этой статье не рассматриваются линейные и пассивные балласты, добавил линейный стабилизатор серии NSIxxx, например NSIC2020B, поскольку именно такое устройство больше всего подходит для определения простейшего электронного балласта - деталь имеет всего два вывода и для её работы ничего дополнительного не надо, достаточно включить её последовательно с цепочкой светодиодов.

NXP Semiconductor:

• SSL5301T, SSL5231T - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8 с диммированием.

Широко известный поставщик комплектующих, для источников питания в том числе, также не предлагает простых решений для светодиодных сетевых стабилизаторов тока. Указанные микросхемы выбраны как наиболее простые решения, которые однако всё равно требуют достаточно большого количества внешних компонентов. Анализ демо-плат устройств без использования трансформатора, показывает эффективность не более 85% при выходной мощности 5 Ватт и более с коэффициентом мощности более 85% и возможностью диммирования.

Texas Instruments:

• TPS54200 - миниатюрный LED драйвер на 1.5A со встроенными синхронными ключами в корпусе SOT23-6
• TPS92074 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8, SOT23-6.
• LM3444 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC10.
• TPS92075 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8, SOT23-6 диммируемый, работающий с традиционными тиристорными диммерами.
• LM3445 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC10, работающий с традиционными тиристорными диммерами.
• LM3448 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOIC16, работающий с традиционными тиристорными диммерами.

Хорошо зарекомендовавший себя поставщик электронных компонентов для высоко эффективных источников питания также предлагает большой набор решений для светодиодных драйверов. Однако даже выбранные микросхемы требуют бóльшего количества внешних элементов, чем хотелось бы. Большинство решений требует как минимум внешнего стабилизатора собственного питания. Но, несмотря на это, микросхемы вполне подходят для изготовления устройств более высокой мощности и высокой эффективности, чем простейшие электронные балласты конкурентов. Например, диммируемый блок питания лампы на 14 Ватт обладает эффективностью до 89% при коэффициенте мощности до 98%.

Новая разработка компании - TPS54200, миниатюрный LED драйвер на 1.5A со встроенными синхронными ключами в корпусе SOT23-6, позволяет создавать устройства с эффективностью до 95%.

Поскольку микросхема имеет встроенные ключи, схема включения очень проста и требует мимнимум внешних компонент. Стабилизатор поддерживает наалоговый и PWM димминг, имеет встроенную защиту от обрыва, КЗ и по температуре. Питание до 28 Вольт.

Diodes Incorporated:

• PAM99700, AL9910, AP1694 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8.
• AP1695 - импульсный стабилизатор с встроенным ключом в корпусе SOIC8.

Микросхема AP1695 имеет встроенный ключ, AP1694 - внешний, но обе требуют внешней схемы питания. Микросхемы PAM99700 и AL9910 позволяют создать устройство питания светодиодов с эффективностью более 90%, PAM99700 имеет существенно меньшее собственное потребление, следовательно бóльшую эффективность в высоковольтных приложениях.

IXYS Integrated Circuits Division (Clare)

• CPC9909 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8.
• MXHV9910 - импульсный стабилизатор с внешним ключом в корпусе SOIC8 с возможностью регулировки частоты.

Известный производитель силовой электроники, компания IXYS Integrated Circuits предлагает несколько решений для светодиодных драйверов средней мощности. Управляющая микросхема CPC9909, представляет собой основу понижающего преобразователя с высокой эффективностью. За счёт наличия теплоотводящей площадки на корпусе SOIC8, решены проблемы повышенного тепловыделения встроенного стабилизатора собственного питания, работающего вплоть до 550 Вольт. Кроме микросхем импульсных преобразователей, производитель предлагает целый набор линейных интегральных стабилизаторов тока различной мощности.

Назад к каталогу статей >>>