Непростые проблемы питания светодиодных ламп

Светодиодное освещение стремительно вторгается в наш быт, пытаясь вытеснить уже ставшие привычными энергоэкономичные люминесцентные лампы. Пока это выходит не очень удачно. Малые мощности, узкая направленность света, высокая яркость и слепящее действие светодиодов не позволяют создать комфортное освещение в квартирах. Но это все «детские болезни» новых источников, которые в ближайшее время будут преодолены. А вот проблема питания светодиодных ламп заслуживает более пристального внимания.

Вспомним, что светодиод – это прибор с токовым принципом генерации света. Прямое преобразование электрического тока в свет обусловлено рекомбинацией зарядов в зоне полупроводникового перехода. Если бы эффективность преобразования зарядов в световое излучение было близко к 100%, то это сняло бы ряд серьезных технических и технологических проблем, с которыми сталкиваются изготовители мощных светодиодных ламп сегодня.

Конечно, по сравнению с эффективностью ламп накаливания, не достигающей 3%, и люминесцентных ламп, у которых КПД едва достигает 9%, светодиоды со своими 22% являются неоспоримыми лидерами среди источников света. Тем не менее, 8 из каждых 10 Вт электрической мощности, подведенные к излучающему кристаллу, превращаются в тепло. А отвести его удается с трудом, т.к. кремний является плохим теплоотводящим материалом.

Коротко говоря, светодиоды не переносят высоких температур, а те отвечают приборам тем же: выводят светодиоды из строя, ускоряя диффузионные процессы в полупроводниках. В идеале, при криогенных температурах, время службы светодиода не ограничено. А вот при 100 градусах он, в лучшем случае, составляет 50000 часов.

Поэтому прошли те «золотые» времена, когда маломощный светодиодный индикатор можно было включить через ограничивающий резистор и забыть о его существовании. С ростом эффективности и мощности светодиодов приходится балансировать на зыбкой границе предельно высоких токов и температур.

Первые светодиодные лампы (СЛ) имели простую конструкцию блока питания: токоограничивающий конденсатор, выпрямитель, а дальше последовательная цепочка из излучающих диодов. При этом они имели значительные пульсации светового потока вследствие малой инерционности светодиодов. Применение такие лампы нашли для освещения подсобных помещений, лестничных клеток, табличек с номерами домов.

Но для освещения жилых помещений они оказались совершенно непригодны. В первую очередь, через неудовлетворительные характеристики пульсирующего светового потока. Появление мощных светодиодов и светодиодных модулей мощностью до 50 и, даже, 100Вт вызвало необходимость разработки специализированных блоков питания для их нормальной работы.

Применение линейных стабилизаторов тока для питания светодиодных ламп оказалось приемлемым только для токов до 1А. Несмотря на широкую номенклатуру и прецизионные выходные параметры, микросхемы имели большие тепловые потери, требовали применения радиаторов и в мощных светодиодных лампах не нашли применения. Сегодня отдельные светодиоды и модули имеют встроенные интегральные стабилизаторы, но применяются такие модули в основном при питании от аккумуляторных батарей.

Выход был найден на пути применения импульсных устройств питания светодиодных ламп. По сути, это полупроводниковые пускорегулирующие аппараты компактных люминесцентных ламп, оптимизированные для питания светодиодных ламп. Достоинством импульсных устройств является возможность работы от сетевого (220В) напряжения, высокий КПД, простота управления током стабилизации.

К недостаткам можно отнести высокую цену, броски тока по входу и пульсации выходного тока, снижающие срок работы светодиодов. При некотором усложнении этих устройств, получивших название «LED-драйверы», сетевые помехи эффективно подавляются. Подобные драйверы выпускаются в интегральном исполнении многими фирмами.

Примером может служить микросхемы серии «LM» понижающих и повышающих драйверов с широтно-импульсной модуляцией компании National Semiconductor. К сожалению, входное напряжение микросхем составляет не более 100В, что затрудняет непосредственное их включение в сеть 220В. Поэтому для светодиодных ламп на сетевое напряжение пока используются драйверы, выполненные на дискретных элементах.

Широкий перечень драйверов для наружной и внутренней установки предлагает компания из Тайваня Mean Well Enterprises. Ее AC/DC преобразователи перекрывают диапазон мощностей от 20 до 300 Вт. Входное напряжение может меняться от 90 до 264В, имеется защита от перенапряжений, коротких замыканий, коррекция коэффициента мощности по входу.

Еще более сложное устройство имеют драйвера с возможностью управления яркостью светодиодных ламп или управления цветом в случае применения в качестве нагрузки светодиодных модулей с трехцветными (RGB) светодиодами.

Для управления цветом применяются специализированные контроллеры с 4 или 6 выходами, памятью программ или входами управления от внешних устройств. Такие контроллеры позволяют получить полные цветовые гаммы, но дополнительно усложняют аппаратуру питания таких ламп.

Управления яркостью светодиодных ламп в случае применения импульсных устройств с широким диапазоном входных напряжений создает немалые трудности. Традиционные схемы диммеров в этом случае не работают. Приходится регулировать параметры выходных каскадов драйверов, что далеко не просто и опять усложняет питание таких источников света.

В итоге получается парадоксальная ситуация: для питания и управления всего одним полупроводниковым переходом, излучающего свет, приходится применять сложные и дорогие устройства, содержащие тысячи или даже десятки тысяч полупроводниковых структур. Учитывая многообразие типов и применений светодиодов, уже сегодня подобрать устройство питания для светодиодных лент и ламп с нужными свойствами и параметрами представляет серьезную трудность.

Дальнейшее развитие источников питания и управления видится в создании гибких, универсальных, программируемых драйверов, содержащих достаточно мощный центральный процессор. Внешняя «обвязка» чипов позволит применять их как непосредственно для питания ламп от сети, так и взаимодействовать с внешними управляющими устройствами. Необходимая элементная база существует уже сегодня. Остановка только за удачной конструкцией.