Журнал РАДИОЛОЦМАН, октябрь 2012
James Patterson, National Semiconductor
EDN
В системах освещения уже более века повсеместно используются лампы накаливания, а в последние 50 лет для управления уровнем освещенности применяются фазовые регуляторы. Однако стандартные симисторные регуляторы на основе фазового метода регулирования плохо совместимы с системами управления современными светодиодными источниками. Что еще хуже, регуляторы могут очень сильно различаться по характеристикам. Хотя сегодня и есть новые, усовершенствованные регуляторы с фазовым управлением по обратному фронту, стандартные регуляторы с отсечкой по фазе переднего фронта настолько широко распространены в электросетях по всему миру, что производители систем LED освещения просто не могут их игнорировать. Как обычно, обратная совместимость имеет первостепенное значение.
Регуляторы освещенности с отсечкой по переднему фронту
Стандартный регулятор с фазовым управлением состоит из симистора, симметричного динистора и RC цепи (Рисунок 1). С помощью потенциометра изменяется сопротивление и, постоянная времени RC цепи управляет задержкой открытия симистора, или фазой открытия. Промежуток полуволны переменного напряжения, когда симистор находится в проводящем состоянии обозначается θ. Результирующая осциллограмма напряжения имеет вид ограниченной по фазе синусоиды.
 |
|
| Рисунок 1. | Стандартный регулятор с фазовым управлением состоит из симистора, симметричного динистора и RC цепи. |
Подобный тип регуляторов яркости хорошо работает с лампами накаливания, которые аналогичны обычной резистивной нагрузке. Среднее по времени напряжение на нити накаливания уменьшается по мере уменьшения длительности открытого состояния симистора, обеспечивая естественное плавное затухание лампы.
Симистор имеет требования к минимальному току удержания. Протекающий через него ток должен оставаться выше этого минимального уровня, чтобы гарантировать открытое состояние на протяжении соответствующей части периода синусоиды. Нагрузка в виде нити накаливания легко удовлетворяет этому условию из-за определенных и не изменяющихся величин мощности, например, 40, 60, 75 Вт.
Совместимость со светодиодами
К сожалению, твердотельные источники освещения плохо соответствуют требованиям фазового регулирования. Светодиод – это полупроводниковый прибор, контроль светового потока которого выполняется путем регулирования прямого тока. Светодиоды повышенной яркости могут потреблять ток от сотен миллиампер до ампер, и для повышения эффективности систем почти всегда применяются импульсные преобразователи.
Обычные импульсные преобразователи поддерживают напряжение на выходе независимо от среднего входного напряжения, а это означает, что ограниченная по фазе синусоида, которую дают фазовые регуляторы, сначала должна быть декодирована. Декодированная информация может быть использована в качестве опорного сигнала при регулировке выходного напряжения. Хотя эта задача и сравнительно проста для разработчиков силовой электроники, есть невидимые на первый взгляд проблемы.
Все дело в том, что нагрузка здесь не чисто резистивная. Конвертер за счет емкостных и индуктивных компонентов схемы является для фазового регулятора реактивной нагрузкой. Поэтому крутой фронт обрезаемого по фазе напряжения вызывает проблемы для обычного преобразователя. Разработчики часто используют стандартные методы RC демпфирования возникающих на фронте волны паразитных колебаний. Однако этот подход всегда сопровождают дополнительные потери мощности.
Неожиданно возникает и еще одна, даже более серьезная проблема. Эффективность светоотдачи у современных светодиодов намного выше, чем у ламп накаливания, которые более 75% своего светового потока излучают в инфракрасном спектре в виде тепла. Светодиоды, напротив, бóльшую часть светового потока излучают в видимой области спектра.
Новейшие светодиоды повышенной яркости в пять-шесть раз более эффективны, чем аналогичные лампы накаливания, а это означает, что используемые сегодня лампы на 60 Вт могут быть заменены излучателями света мощностью от 10 до 12 Вт. Такое энергосбережение будет большим подарком для потребителей, но не для фазовых регуляторов, которым для нормальной работы требуется обеспечить минимальный ток удержания.
При достижении светодиодным источником определенного уровня затемнения симистор может отключиться раньше времени из-за снижения протекающего через него тока. Моменты преждевременного отключения, как правило, расположены асимметрично в последовательности выпрямленных полупериодов переменного тока и могут колебаться в определенном интервале. Визуальным эффектом этого колебания будет низкочастотное дрожание и мерцание света. Для предотвращения заметности мерцания преобразователь должен обеспечить дополнительную мощность, чтобы не допускать преждевременного выключения симистора.
Снижение эффективности
Расход дополнительной мощности противоречит основной задаче преобразователей питания: обеспечить эффективную, рациональную регулировку мощности. Таким образом, разработчикам необходимо решать сразу две задачи. Обеспечить эффективное преобразование энергии из сети переменного тока для светодиодной нагрузки и корректное функционирование фазового регулятора с минимизацией дополнительных потерь мощности.
Новые требования по электропитанию для многих светодиодных систем требуют использования корректоров коэффициента мощности (ККМ). Коэффициент мощности определяет, насколько хорошо энергия передается с входа на выход преобразователя. Если входной ток не имеет искажений и совпадает по фазе с входным напряжением, коэффициент мощности равен единице. Любой сдвиг фаз или искажения входного тока из-за реактивных элементов и коммутационного шума снижают коэффициент мощности.
 |
|
| Рисунок 2. | В большинстве светодиодных систем освещения имеются ККМ, благодаря которым входной ток обычно достаточно хорошо соответствует входному напряжению, и фазовый регулятор преждевременно отключается лишь в конце интервала проводящего состояния, когда напряжение и ток уменьшаются. Отключение влечет за собой изменение угла отсечки, приводящее к ошибкам декодирования. |
Поскольку в большинстве светодиодных систем освещения имеются ККМ, входной ток обычно достаточно хорошо соответствует входному напряжению, и фазовый регулятор преждевременно отключается лишь в конце интервала проводящего состояния, когда напряжение и ток уменьшаются (Рисунок 2). Отключение влечет за собой изменение угла отсечки.
Основные решения для сохранения тока удержания
Простым подходом для удовлетворения требований по току удержания является добавление резистивной нагрузки, что должно обеспечить минимальный входной ток во всем интервале проводимости. Этот метод крайне неэффективен. Для замены лампы накаливания мощностью 100 Вт требуется светодиодный излучатель мощностью всего лишь 15 Вт, при этом сохранение необходимого уровня тока удержания может привести к снижению эффективности на 10%… 20%.
Более сложный подход заключается в линейном увеличении нагрузки в каждом цикле, который включает дополнительное повышение тока удержания в конце интервала проводимости. Этот метод очень энергоэффективен, однако, его трудно реализовать при большом рабочем диапазоне.
Например, в диапазоне от 85 до 305 вольт переменного тока для универсального входа 15-ваттного светодиодного светильника наихудшее состояние для тока удержания наступает при 305 В, когда входной ток минимален. Для того чтобы гарантировать включенное состояние симистора во всем интервале проводимости при напряжении 305 В, вы должны обеспечить большой ток удержания. Из-за универсальности решения добавленный ток удержания при напряжении 85 В будет примерно в четыре раза больше, чем необходимо – это большая потеря энергии.
Динамическое удержание
Наиболее эффективным методом является регулирование минимального входного тока. В этом случае ток удержания тиристора не увеличивается, пока входной ток превышает регулируемый уровень. При понижении входного тока ниже регулируемого уровня, схема поддерживает минимально необходимый ток удержания. Этот метод, называемый динамическим удержанием, реализуется в контроллере LM3450 (Рисунок 3). Измерительный резистор между выводом диодного моста и системной «землей» обеспечивает контроль входного тока. Снимаемое с резистора напряжение VSENSE позволяет контроллеру линейно управлять током на выводе УДЕРЖАНИЕ в соответствии c минимальным регулируемым входным током. Это гарантирует минимизацию дополнительно расходуемой мощности.
 |
|
| Рисунок 3. | Схема динамического удержания не увеличивает нагрузку, пока входной ток превышает регулируемый уровень. При понижении входного тока ниже этого уровня, схема обеспечивает минимально необходимый ток удержания. |
В конечном счете, динамическое удержание требуется для того, чтобы гарантировать корректное декодирование фазового угла, обеспечивающее точный регулирующий сигнал для конвертера. В процессе декодирования необходимо предотвратить ложные отключения симистора при декодировании, чтобы исключить вызывающее мерцание хаотичное изменение угла отсечки. При внимательном изучении работы системы становится ясно, что фактически нет нужды декодировать угол в каждом цикле. Система с выборкой может обеспечить еще большую точность. При таком подходе, повышение тока удержания необходимо только во время интервала с выборкой при декодировании. В циклах без выборки ток не повышается.
В LM3450 используется именно такая схема фазового декодирования с выборкой, и динамическое удержание, таким образом, активировано только в интервалах выборки. Была проведена сравнительная оценка, для которой использовались 15-ваттные светильники на 120 вольт с фиксированным током удержания 20 мА и с намного большим, но динамическим, током удержания 70 мА (Рисунок 4). После проверки более 20 регуляторов освещения оказалось, что динамическое удержание на уровне 70 мА обеспечило полный диапазон регулировки яркости при повышении эффективности на целых 6%.
 |
|
| Рисунок 4. | Результаты сравнительной оценки двадцати 15-ваттных светильников на 120 вольт подтвердили, что при фиксированном токе удержания 20 мА и динамическом токе удержания 70 мА обеспечивается полный диапазон регулировки яркости при повышении эффективности на 6%. |
При данном подходе перед разработчиком стоит еще одна трудная задача. Предыдущий анализ не учитывал влияния на преобразователь входного фильтра электромагнитных помех (ЭМП). Каждый преобразователь, удовлетворяющий требованиям по нормам излучения ЭМП, должен иметь соответствующий фильтр. К сожалению, добавление реактивных компонентов со стороны переменного напряжения перед мостом искажает форму входного тока, что сказывается на измерении выпрямленного тока.
В конце фазы проводимости, при максимальной скорости изменения входного напряжения dU/dt, эта проблема становится наиболее острой. В этот момент бóльшая часть тока преобразователя проходит через конденсаторы фильтра ЭМП, и симистор проводит даже меньший ток, чем можно ожидать.
Чтобы исключить неточность измерений, регулируемый минимальный входной ток должен быть увеличен, а емкость фильтра ЭМП минимизирована.
