Dwie koncepcje na niewielkie i wydajne sterowniki lamp LED

Kluczowym problemem technologii produkcji oraz zasilania lamp LED jest ograniczona przestrzeń dla umieszczenia elektroniki oraz układu zasilania wymaganego przez diody i mieszczącego się w obrębie niewielkiej przestrzeni szyjki standardowych żarówek.

W zastosowaniach takich jak te, przestrzeń jest bardzo mała i ogranicza zarówno wielkość jak i liczbę elementów, które mogą być zastosowane. Brak przestrzeni pogarsza także kwestię zarządzania termicznego poprzez konieczność odpowiedniego odprowadzania energii cieplnej. Aby uniknąć przegrzania i w konsekwencji awarii, sterownik – zasilacz LED musi pracować z najwyższą możliwą sprawnością energetyczną.

Rygorystyczne przepisy

Oprócz dostarczenia stabilnego prądu stałego, sterownik lamp LED (zasilacz), musi być zgodny z coraz bardziej rygorystycznymi przepisami obejmującymi współczynnik mocy i zniekształcenia harmoniczne prądu pobieranego przez jednostkę. Wiele rozwiązań sterowników LED stosuje dwuetapowe rozwiązanie, składające się z etapu PFC, a następnie sterownika prądu stałego CC - często przetwornicy typu flyback. Etap PFC osiąga maksymalną sprawność sięgającą nawet 95 procent, sterownik prądu stałego CC osiąga około 90 procent, w wyniku czego ogólna sprawność dwuetapowej konwersji energii wynosi 85 procent.

Takie podejście wymaga zastosowania cewki, dwóch wyłączników i dwóch kontrolerów PFC oraz CC – to dużo elementów, aby mogły zmieścić się w niewielkiej obudowie lampy. Układy PFC oraz przetwornice typu flyback wykonują podobną pracę, przełączając przepływy prądu oraz kształtując prąd wejściowy i wyjściowy, odpowiednio. Jeżeli te dwie aktywności przełączające mogą być połączone w jednym etapie, to znacznie mniej składników będzie wymaganych i osiągnięcie znacznie wyższej sprawności będzie możliwe stosując tylko jeden układ w topologii jednostopniowej.

Rysunek 1. Jednostopniowy sterownik LED z zastosowaniem połączonych przetworników PFC i CC.

Zaprezentowany na rysunku 2 schemat to jednostopniowy zasilacz lamp LED korzystający z obu sterowników PFC oraz CC, ale pracujący w oparciu o jeden układ LinkSwitch™-PH firmy Power Integrations. To monolityczne urządzenie zawiera 725V układ MOSFET wraz ze zintegrowanymi obwodami kontroli i ochrony.

Rysunek 2. Jednostopniowy sterownik LED z zastosowaniem połączonych przetworników PFC i CC z wykorzystaniem układu LinkSwitch-PH.

Sterowanie PFC i CC

Sterownik LED łączy opatentowaną technikę korekcji współczynnika mocy ze sterownikiem uzwojenia pierwotnego, pracującego w trybie ciągłym za pomocą kontroli typu PWM. Rozwiązanie to wraz z monolitycznym układem power MOSFET i powiązanymi obwodami sterownika wewnątrz pojedynczego układu scalonego LinkSwitch-PH, pozwala na znaczne zmniejszenie liczby komponentów potrzebnych dla stworzenia wydajnego sterownika lamp LED.

Używając układu LinkSwitch-PH w obwodzie przedstawionym na rysunku 2, możliwe jest osiągnięcie sprawności konwersji energii wyższej niż 90 procent dla 15W lampy LED (odpowiednika 60W lampy żarowej), wymagając znacznie mniej elementów niż równoważne rozwiązanie dwuetapowej konwersji.

Nieizolowane rozwiązania dla najniższych kosztów

Izolowane przetwornice flyback są niezwykle skuteczne, ale mają pewne ograniczenia w stosunku do wydajności, wielkości i kosztów. Straty podczas przełączania w transformatorze zmniejszają ogólną wydajności, a izolacja elektryczna może zajmować do 15 procent całkowitej powierzchni dostępnej dla 8W przetwornicy. Koszt elementów magnetycznych jest też,tym wyższy im wyższe wymagania izolacji musi spełniać transformator i droższa jest jego konstrukcja.

Prostsze i potencjalnie tańsze rozwiązanie dla projektów do mocy 30W, jest zastosowanie zasilania nieizolowanego z wykorzystaniem obudowy żarówki jako izolacji bezpieczeństwa. Pozwala to na użycie prostych przetworników typu buck/buck-boost, które są bardziej wydajne (brak strat po stronie transformatora) i korzystają z tańszych elementów magnetycznych - dławików. Istnieje też możliwość, aby użyć jednostopniowej topologi, łączącej etapy PFC i CC przy wykorzystaniu układów LinkSwitch-PH lub LinkSwitchTM-PL firmy Power Integrations. Układy te mogą być skonfigurowane również jako bardzo wydajne przetwornice typu Buck dla wyjść niskiego napięcia, zapewniając wysoki współczynnik PF z niskim THD, osiągając oszczędności związane z wysoką integracją i prostą architekturą Buck. To rozwiązanie sprawdza się bardzo dobrze dla wielu projektów, a zwłaszcza dla aplikacji wysokiego napięcia (176 VAC do 264 VAC).

Wysoka sprawność uzyskiwana jest z użyciem najwyższego możliwego napięcia łańcucha LED, zwłaszcza w aplikacjach niskiego napięcia (90 VAC do 132 VAC), takie podejście ujawnia jednak ograniczenia przetwornic Buck. Jeśli napięcie wyjściowe ciągu jest zbyt wysokie, przetwornice Buck nie są w stanie dostarczyć rozwiązania o niskim współczynniku THD, aby spełnić wymagania normy EN61000-3-2 (C/D) lub osiągnąć typową granicę ATHD wynoszącą 20%. Niskie THD osiąga się tworząc kształt prądu, który jest ściśle dopasowany do kształtu sinusoidy o napięciu przebiegu. Przetwornice typu Buck przepuszczają tylko prąd na wyjściu, gdy napięcie wejściowe (rektyfikowana sinusoida) przekracza wartość na wyjściu. Zatem dla części każdej połówki sinusoidy, kiedy napięcie narasta od wartości zero, nie występuje korekcja współcznnika mocy i THD jest zmniejszone. Dla wysokiego napięcia wyjściowego (powyżej 35 VDC w aplikacjach nisko napięciowych) kąt przewodzenia jest tak krótki, że konwerter nie jest już w stanie wygenerować natężenia fali spełniającej normę EN61000-3-2 (C/D) dla limitów THD.

W wielu nieizolowanych sterownikach lamp LED używanych w aplikacjach o wysokiej sprawności, topologia buck-boost jest stosowana. Nieodłączną zaletą rozwiązania Buck-Boost jest to, że stale pobiera zasilanie z wejścia AC, niezależnie od poziomu napięcia wyjściowego, dzięki czemu prąd wejściowy jest niemal sinusoidalny. Dwa przykłady wykazują skuteczność i elegancję tego rozwiązania. Pierwszy to sterownik LED dla długiego ciągu diod, zaprojektowany dla lampy w formacie lampy T8. Układ jest w stanie zasilić 100V ciąg diod LED, osiągając sprawność ponad 91 procent, współczynnik mocy PF większy niż 0,9 i THD ponad 25 procent. Druga konstrukcja wykorzystuje absolutne minimalną ilość komponentów i ma zadanie zmieścić się w małej obudowie lampy formatu B10.

Rysunek 3. Schemat 25W sterownika - zasilacza LED w topologii buck-boost LED z wykorzystaniem układu LNK409EG

Rysunek 3 przedstawia kompletny nieizolowany 25W sterownik lamp LED z korekcją PFC wykonany w topologii buck-boost. Zapewnia 250 mA prądu stałego na wyjściu przy nominalnym napięciu 100 V w zakresie napięć wejściowych od 180 do265 VAC. Fizyczny projekt przedstawia się niezwykłe - płytka ma rozmiar zaledwie 19,5 mm szerokości i 10 mm wysokości.

Rysunek 4. Płytka PCB

Rysunek 5. Sterownik LED zamontowany w rurze T8.

Obwód elektryczny topologi buck-boost składa się z układu LinkSwith-PH - U1, diody wyjściowej D6, kondensatorów wyjściowych C5 i C7, dławików wyjściowych T1 i T2. Dwa dławiki są stosowane ze względu na ograniczenia miejsca wewnątrz rurki formatu T8. Dławiki T1 i T2 wspólnie zapewniają wymaganą indukcyjność rozwiązania Buck-Boost a uzwojenie T1 zapewnia zasilanie dla układu U1 oraz wparcie dla funkcji bezpieczeństwa.

Świeczniki

Założeniem projektu w drugim przykładzie przedstawionym poniżej jest wysoka wydajność i niewielkie rozmiary, aby zasilacz LED mógł zmieścić się w obudowie lampy wielkości B10 oraz w lampie w stylu świeczki.

Rysunek 6. 4,5W zasilacz w topologii Buck-Boost wykorzystujący układ LNK458KG

Rysunek 6 pokazuje 4,5W sterownik lamp LED z korekcją współczynnika mocy (nie-izolowana topologia Buck-Boost), wykorzystujący układ LNK458KG z rodziny LinkSwitch-PL firmy Power Integrations. Układy LinkSwitch-PL są bardzo podobne do jednostek LinkSwitch-PH omawianych wcześniej. Są one zoptymalizowane dla nie-izolowanych aplikacji o niskiej mocy (do 16 W) i są dostarczane w obudowie dysponującej tylko czterema połączeniami. Algorytm sterowania może obsługiwać funkcje ściemniania TRIAC przy minimalnym zastosowaniu elementów zewnętrznych. Układ pokazany na rysunku 6 dostarcza 90 mA prądu stałego na wyjściu ponad 42-56V w zakresie napięcia wejściowego 85-135V. Pomimo niewielkiej liczby komponentów, sterownik lamp LED driver osiąga ponad 86 procent sprawności, PF większe niż 0,95 oraz THD ponad 15 procent przy napięciu 115 VAC.

Podsumowanie

Jak widać na wyżej przedstawionych przykładach, układy scalone firmy Power Integrations w postaci rodzin LinkSwith-PH oraz LinkSwith-PL pozwalają na budowę tanich oraz energooszczędnych aplikacji zasilających lampy LED. Wysoka sprawność skutkuje niskimi stratami prądowymi minimalizując ryzyko awarii aplikacji LED, poprzez wysoką temperaturę pracy, a zgodność z najnowszymi rygorystycznymi normami pozwala produktom opartym na układach Power Integrations na powszechne zastosowanie w zastosowaniach komercyjnych jak i przemysłowych.