Источники питания Mean Well для светодиодного применения

Применение светодиодов в освещении становится все более популярным. В связи с этим рассмотрим вопросы построения осветительных систем с использованием мощных светодиодов, а также причины актуальности таких систем. В статье приведен краткий обзор источников питания компании Mean Well (Тайвань) для светодиодов, рассмотрены характеристики источников питания, даны рекомендации по их выбору. Также рассмотрим различные схемы построения светодиодных осветителей.

В настоящее время растет интерес к использованию решений на основе светодиодов в освещении. Одновременно стремительно растёт предложение самих светодиодов, готовых решений и компонентов для построения светодиодных осветительных систем. Одной из причин этого является необходимость экономии средств. Освещение применяется повсеместно и работает в течение длительного времени, а затраты на него весьма велики. Необходимость экономии электроэнергии была очевидна и ранее, и наступивший финансовый кризис лишь подчеркнул справедливость этой мысли.

В Европе применение энергетически неэффективных устройств будет ограничено при помощи не так давно принятой директивы EuP. В частности, уже с сентября 2009 года будут ограничены продажи ламп накаливания мощностью более 80 Вт. В дальнейшей перспективе планируется постепенно вывести из обращения все неэффективные виды ламп.

Вторая причина использования освещения на основе светодиодов - это экология. Состояние окружающей среды занимает всё более значительное место среди приоритетных интересов промышленно развитых стран. Экология страдает от неэффективного использования электроэнергии за счёт теплового загрязнения окружающей среды, а также из-за выбросов вредных веществ при производстве электроэнергии. Многие из существующих типов ламп содержат опасные для здоровья человека вещества (например, ртуть и её соединения). Использование подобных веществ при изготовлении различных изделий в Европе регулируется директивой RoHS. Под её действие подпадают изделия, содержащие свинец, ртуть, кадмий, шестивалентный хром, а также некоторые органические вещества. Введение в действие этой директивы создало дополнительные препятствия для дальнейшего распространения и использования таких типов ламп, как ртутные.

Поскольку требования к источникам питания в значительной степени определяются на-грузкой, а в данном случае - светодиодами, то сначала приведём основные характеристики светодиодов.

Ток и напряжение. Вольтамперная характеристика светодиода похожа на характеристику диода, то есть с ростом тока напряжение на светодиоде увеличивается, причём нелинейно (см. рисунок 1).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика светодиода

Рабочие токи современных мощных светодиодов составляют 350, 700, 1050 мА. Напряжение на светодиоде в рабочем режиме составляет 3…3.6 В (белые светодиоды с 1 кристаллом). Соответственно мощность, потребляемая светодиодом в рабочем режиме, составляет 1…3 Вт для большинства моделей. Отдельные модели в рабочем режиме потребляют до 100 Вт.

Рабочие напряжения при одном и том же токе для различных видов светодиодов имеют значительный разброс - до ±10..15%. Этот разброс необходимо учитывать при разработке схемы с использованием светодиодов.

Световой поток. Важнейший из параметров светодиода - это световой поток. Световой поток - это мощность излучения, воспринимаемая человеческим глазом. Световой поток современных мощных светодиодов составляет до 430 лм (для решений с 1 кристаллом). Почти такой же световой поток у обычной лампы накаливания 30-40 Вт или у галогенной лампы 25 Вт. Световой поток светодиода определяется силой тока, протекающего через него. Эта зависимость практически линейная.

Цвет. Ещё одной характеристикой светодиодов является их цвет. Выпускаются как белые светодиоды, так и цветные.

Важное свойство светодиодов как источников света - практически неизменный цвет све-чения при регулировании интенсивности свечения.

Температурные характеристики. Часть энергии, потребляемой светодиодом, излучается в форме света, а часть рассеивается в форме тепла. При рассеивании тепла, температура светодиода растёт, что оказывает влияние на его характеристики. Так с ростом температуры, снижается яркость, уменьшается напряжение на светодиоде. В тоже время, на цвет светодиода температура заметного влияния не оказывает.

Срок службы. Надёжность светодиодов весьма высока. При номинальном токе и температуре окружающей среды срок службы достигает 50-60 тыс. часов. По истечении этого времени светодиод не выходит из строя полностью как обычные лампы, а снижает свою яркость (как правило, до 50-70%). В качестве примера можно привести зависимости светового потока в зависимости от срока службы для различных источников света - см. рисунок 2.

Рис. 2. Зависимость светового потока от срока службы для различных источников света

Теперь сравним основные параметры светодиодов и других распространённых источников света. Для сравнения некоторые параметры основных типов источников света приведены в таблице (таблица 1).

Таблица 1. Сравнение характеристик различных источников света

Типы источников света	Энергетическая эффективность, лм/Вт	КПД, %	Срок службы, тыс. часов	Опасные вещества
Лампы накаливания	до 15	До 2,5	1-3	Нет
Галогенные	до 25-26	До 3	2-4	Нет
Люминесцентные	60-110	До 18	2-20	Есть
Метал-галидные лампы	70-120	До 17	9-12	Есть
Натриевые газоразрядные	до 200	До 30	15	Есть
Мощные светодиоды	до 150	До 30	50-60	Нет

Необходимо также сравнить и затраты пользователя при использовании различных типов ламп в своей системе. Начальные затраты для светодиодного решения могут быть несколько выше, чем у решения с обычными лампами. Однако если рассматривать затраты за весь срок эксплуатации, то картина изменится. При одном и том же световом потоке (он определяется требованиями приложения) светодиоды потребляют значительно меньше энергии, чем традиционные источники света. За весь срок службы системы, который может составлять десятки лет, разница в потреблённой электроэнергии будет весьма велика, поэтому выгода от уменьшения энергопотребления может оказаться значительной по сравнению со стоимостью системы. Необходимо также учитывать больший срок служ-бы светодиодов, что позволяет реже заменять лампы в случае решения на светодиодах, а значит и тратить меньше средств на покупку сменных ламп. Разница в сроке службы светодиодов и обычных ламп становится более наглядной при простом расчёте. Срок службы лампы накаливания 1000 часов = 1,4 месяца, а срок службы светодиодов 60 000 часов = 6,8 года при круглосуточном использовании.

Завершая сравнение, можно сказать, что наибольшей эффективностью обладают газоразрядные лампы и мощные светодиоды, но светодиоды имеют больший срок службы и не содержат опасных веществ. Кроме того, доступны светодиоды различных цветов, легко регулируемы, не изменяют характеристики излучения, не имеют проблем с работой при низких температурах, не создают УФ излучения. Таким образом, светодиоды обладают параметрами не хуже, чем у других источников света, не имея их недостатков.

Обсуждение источников питания, необходимо начать с рассмотрения областей их применения, поскольку именно применение определяет требования к характеристикам источников питания. Светодиодное освещение применяется весьма широко, например, в таких областях, как:

• декоративная и архитектурная наружная подсветка;
• рекламные вывески и надписи;
• освещение витрин;
• потребительские товары;
• встроенные и висячие светильники;
• подсветка сцены и театра;
• системы машинного зрения;
• подсветка аварийных выходов, аварийное освещение;
• наружное освещение: улицы, парковки, туннели;
• освещение офисных и коммерческих помещений;
• освещение в автономных энергетических системах: с солнечной или ветровой энергией.

Для систем уличного освещения требуются широкий диапазон температур, высокая сте-пень защиты IP, регулировка интенсивности, коррекция коэффициента мощности. Для рекламных надписей и вывесок требуется высокая степень защиты IP, простота установки, гибкое решение. Для освещения офисных и коммерческих помещений не требуется высо-кая степень защиты и широкий диапазон температур, однако требуется коррекция коэффициента мощности, небольшие габариты, допускающие использование в имеющихся конструкциях светильников. В некоторых применениях требуется функция регулировки интенсивности, например при освещении туннелей. В одних применениях требуется источник постоянного тока, в других - источник постоянного напряжения. Как видим, диапазон требований достаточно широк, и их невозможно удовлетворить при помощи одной-единственной серии источников питания.

Компания Mean Well (Тайвань) предлагает широкий ассортимент источников питания, делая в своём модельном ряду особый акцент на источниках для питания систем с использованием светодиодов.

Серия PLN. Источники питания в защищённом пластиковом корпусе мощностью от 20 до 96 Вт. Имеется коррекция коэффициента мощности. Подстройка выходного тока и напряжения.

Серия CLG. Источники питания в защищённом металлическом корпусе мощностью от 60 до 240 Вт. Залиты компаундом. Имеется коррекция коэффициента мощности. Различные конструктивные варианты исполнения входов и выходов. Подстройка выходного тока и напряжения.

Серия ULP. Источник питания в открытом корпусе мощностью 150 Вт. Имеется коррекция коэффициента мощности.

Серия PLP. Источники питания в открытом корпусе мощностью от 20 до 60 Вт. Имеется коррекция коэффициента мощности.

Серия ELN. Источники питания в защищённом пластиковом корпусе мощностью от 30 до 60 Вт. Регулировка выходного тока в полном диапазоне.

Серия LP. Источники питания в защищённом пластиковом корпусе мощностью от 18 до 60 Вт. Залиты компаундом.

Ассортимент источников питания для светодиодных применений, производимых компанией Mean Well, достаточно обширен и соответствует требованиям большого количества приложений.

Ряд возможностей, имеющихся у источников питания Mean Well для светодиодных применений, следует рассмотреть более подробно.

Напряжение и ток

Как правило, различают два режима работы источников питания: с постоянным напряжением и с постоянным током.

Источники питания с постоянным напряжением обеспечивают постоянное выходное напряжение, при любом токе нагрузки, не превышающем максимально допустимого тока. Если нагрузка превышает допустимую, то источник питания переходит в режим ограничения тока. Этот режим является защитным и, как правило, значение максимального тока имеет ощутимый разброс, а его подстройка не предусматривается. Кроме того, в этом режиме могут не выдерживаться требования к параметрам источника питания.

Рис. 3. Типичная выходная характеристика светодиодных источников питания Mean Well

Источники питания с постоянным током обеспечивают постоянный выходной ток, в диапазоне от минимального до максимального значения выходного напряжения. Максимальное и минимальное допустимое выходное напряжение определяются схемотехникой источника питания. Если сопротивление нагрузки слишком велико, то источник питания переходит в режим ограничения напряжения.

Источники питания Mean Well разработаны для работы в совмещённом режиме работы "Ток+Напряжение" Это означает, что данные источники могут работать как в режиме источника напряжения, выдавая постоянное напряжение, так и в режиме источника тока, в зависимости от нагрузки. В любом из этих режимов источник питания имеет стабильные параметры, которые выдерживаются с высокой точностью. Типичная выходная характеристика такого источника питания приведена на рисунок 3.

Управление

В ряде моделей имеется возможность регулирования значения выходного тока во всём диапазоне - от максимально допустимого до минимального значения (5-15%). Регулирование происходит путём подачи управляющего сигнала на специальный вход источника питания. Возможны два вида управляющего сигнала: аналоговый сигнал напряжения и ШИМ сигнал.

Один светодиод чаще всего не может обеспечить освещённость, необходимую для большинства применений. Следовательно, необходимо использовать соединение нескольких светодиодов для получения требуемой освещённости. При параллельном соединении светодиодов напряжение на них будет одинаковым (3-3.6 В), а суммарный ток будет определяться суммой токов светодиодов. Для каждого светодиода ток будет различным из-за разброса характеристик светодиодов, а значит и яркость их будет различной. При последовательном соединении, ток через светодиоды (а значит и яркость) будет одинаковым. Различие напряжений на каждом светодиоде не имеет значения, поскольку яркость светодиодов зависит от тока, а для источника питания в данном случае важно лишь суммарное падение напряжения на всех светодиодах в цепочке.

Рассмотрим различные варианты схем управления светодиодами.

Самая простая схема включения имеет матричную структуру (см. рисунок 4). В этой схеме для управления светодиодами используется источник постоянного тока. Никаких дополнительных элементов, в этой схеме не требуется. Матричная структура этой схемы позволяет минимизировать потери от выхода из строя одного или нескольких светодиодов. Однако, для выравнивания тока между отдельными светодиодами необходим их отбор по величине падения напряжения. В этой схеме в каждом столбце должны быть расположены светодиоды с одинаковым падением напряжения. Несоблюдение этого может привести к неконтролируемому разбросу токов между отдельными параллельными светодиодами, что может привести к их ускоренному выходу из строя.

Рис. 4. Матричная схема включения светодиодов

Однако недостатки такой схемы связаны именно с наличием нескольких параллельных цепочек светодиодов. Если цепочка только одна, то отсутствуют все параллельные соединения, и все проблемы с ними связанные.

Таким образом, данную схему имеет смысл применять только для одной цепочки светодиодов, или когда важно удешевить изделие, даже путём некоторого усложнения производства и ухудшения надёжности.

В следующей схеме используются последовательные цепочки светодиодов с балластными резисторами (см. рисунок 5). Здесь может использоваться источник постоянного напряжения. В данной схеме ток определяется не только параметрами самих светодиодов, но и сопротивлением балластного резистора. Сопротивление резистора имеет большую стабильность, чем параметры светодиодов, и, кроме того, оно выбирается разработчиком схемы - то есть при помощи выбора значения сопротивления можно управлять режимами работы схемы. По сравнению с предыдущей схемой, в этом случае 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. Недостатки данной схемы - большие потери на резисторах и недостаточная равномерность распределения токов.

Рис. 5. Схема включения цепочек светодиодов с балластным резистором

Ещё один вариант построения схемы - это использование специализированных микросхем (драйверов) для управления цепочками светодиодов (см. рисунок 6). Ток в каждой цепочке светодиодов регулируется при помощи драйвера и точность распределения токов опреде-ляется его параметрами. Микросхемы драйверов могут быть различными: линейными и импульсными. Линейные драйвера имеют меньший КПД, чем импульсные, но не создают проблем с помехами и наводками. Стоимость такого решения несколько больше, чем дру-гих схем, но оно обеспечивает наилучшее распределение токов и даёт возможность использовать более распространённые источники постоянного напряжения. Кроме того, в данной схеме можно просто реализовать дополнительные функции управления, выбрав соответствующий драйвер.

Рис. 6. Схема подключения светодиодов с использованием микросхемы драйвера

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.
• Определить используемую схему подключения светодиодов: например, прямое управление светодиодами с использованием специализированного источника пита-ния или схема с микросхемой драйверов светодиодов, в зависимости от требований конкретного приложения.
• Определить требуемую мощность источника питания для светодиодов на основании суммарной мощности, потребляемой схемой, с учётом необходимого запаса. Рекомендуемая величина запаса по мощности - 30-35%.
• Проверить необходимость наличия в источнике питания дополнительных возможностей (регулирование выхода, режим "Ток+Напряжение").
• По требуемым условиям эксплуатации выбрать источник питания с подходящей степенью защиты IP, конструкцией корпуса и диапазоном рабочих температур.
• Проверить допустимую выходную мощность для источника питания при максимальной температуре окружающей среды. Если необходимо, то скорректировать требуемую мощность источника питания.
• Определить необходимость использования источника питания с коррекцией коэффициента мощности.
• Определить необходимость наличия сертификатов соответствия требованиям безопасности и иным нормативным документам.

В качестве ориентира при выборе источника питания можно привести примеры используемых типов источников питания Mean Well в зависимости от назначения изделия.

• Уличное освещение: CLG-150, CLG-100, PLN-100, CLG-60, PLN-60, ULP-150;
• Рекламные вывески: LPV-20, LPV-60, PLN-60, CLG-100;
• Освещение офисов и коммерческих помещений: LPV-35, PLN-30, CLG-100;
• Наружная подсветка зданий и сооружений: LPC-20, LPC-35, CLG-100, CLG-150, PLN-30, PLN-60, LPV-60, ELN-60;
• Освещение туннелей: ELN-60;
• Замена люминисцентных светильников: LPH-18, LPC-20;
• Системы машинного зрения: LPC-20, LPC-30.

Сергеев Олег, инженер по технической поддержке
компания Авитон