Меню

Регулировка яркостью лампы симистором



Эффективные симисторные регуляторы для светодиодных источников

James Patterson, National Semiconductor

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.

Читайте также:  Регулировка оборотов электродвигателя с помощью диммера
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.

Перевод: Виктор Чистяков по заказу РадиоЛоцман

Читайте также:  Как отрегулировать ближний свет фар самостоятельно

Источник

Вся правда о регулировке яркости светодиодных ламп: диммеры, драйверы и теория

Регулировка яркости источников света применяется, для создания комфортной освещенности помещения или рабочего места. Регулировка яркости возможна устройство нескольких цепей, которые включаются отдельными выключателями. В таком случае вы получите ступенчатое изменение освещенности, а также отдельные светящиеся и выключенные лампы, что может вызвать неудобства.

Стильные и актуальные дизайнерские решения включают в себя плавную регулировку общей освещенности при условии свечения всех ламп. Это позволяет создать как интимную обстановку для отдыха, так и яркую для торжеств или работы с мелкими деталями.

Ранее, когда основными источниками света были лампы накаливания и точечные светильники с галогенными лампами проблем с регулировкой не возникало. Использовался обычный 220В диммер на симисторе (или тиристорах). Который обычно был в виде выключателя, с поворотной ручкой вместо клавиш.

С приходом энергосберегающих (компактных люминесцентных ламп), а потом и светодиодных такой подход стал невозможен. В последнее же время подавляющее большинство источников света – это светодиодные светильники и лампочки, а лампы накаливания запрещены для использования в осветительных целях во многих странах.

Занятно то, что на упаковке от отечественных ламп накаливания сейчас указывают что-то вроде: «Электрический теплоизлучатель».

В этой статье вы узнаете о принципе регулирования яркости светодиодов, а также о том, как это выглядит на практике.

Содержание статьи

Теория

Любой полупроводниковый диод – это электронный прибор, который пропускает ток в одном направлении. При этом протекание тока не имеет линейно зависимости от приложенного напряжения, скорее она напоминает ветвь параболы. Это значит, что когда вы к светодиоду приложите малое напряжение – ток протекать не будет.

Ток через него протечет только в том случае, когда напряжение на диоде превысит пороговое значение. Для обычных выпрямительных диодов оно лежит в пределах от 0.3В до 0.8В в зависимости от материала из которого сделан диод. Кремниевые диоды берут на себя около 0.7В, германиевые 0.3В. Диоды Шоттки порядка 0.3В.

Светодиод не стал исключением. Пороговое напряжение белого светодиода около 3В, вообще оно зависит от полупроводника из которого он сделан, от этого зависит и цвет его свечения. Так, на красном светодиоде напряжение около 1.7 В. При достижении этого напряжения начнет протекать ток, и светодиод начнет светиться. Ниже вы видите вольтамперную характеристику светодиода.

Яркость свечения светодиода зависит от силы тока через него. Это отражено на графике ниже.

Яркость идеального теоретического светодиода линейно зависит от тока, но в реальности дела несколько отличаются. Это связано с дифференциальным сопротивлением диода и его тепловыми потерями.

Светодиод – прибор, который питается током, а не напряжением. Соответственно, для регулировки его яркости нужно изменять силу тока.

Разумеется, что сила тока зависит от приложенного напряжения, но как вы можете судить из первого графика, даже незначительное изменение напряжения влечет за собой несоизмеримое увеличение тока.

Поэтому регулирование яркости с помощью простого реостата – занятие бесполезное. В такой схеме, при уменьшении сопротивления реостата светодиод внезапно загорится, а после его яркость незначительно возрастет, далее, при чрезмерном приложенном напряжении, он начнет сильно греется и выйдет из строя.

Отсюда выходит задание: Регулировать ток при определенном значении напряжения с незначительным его изменением.

Способы регулирования яркости светодиодов: линейные «аналоговые» регуляторы

Первое что приходит в голову это использовать биполярный транзистор, ведь его выходной ток (коллектора) зависит от входного тока (базы), включенного по схеме общего коллектора. Мы уже рассматривали их работу в большой статье о биполярных транзисторах.

Вы изменяете ток базы изменяя падение напряжения на переходе эмиттер-база с помощью потенциометра R2, резисторы R1 и R3 нужны для ограничения тока при максимально открытом транзисторе рассчитываются исходя из формулы:

R=(Uпитания-Uпадения на светодиодах-Uпадения на транзисторе)/Iсвет.ном.

Эту схему я проверял, она неплохо регулирует ток через светодиоды и яркость свечения, но заметна некоторая ступенчатость на определенных положениях потенциометра, возможно это связано с тем, что потенциометр был логарифмическим, а возможно из-за того что любой pn-переход транзистора это тот же диод с такой же ВАХ.

Лучше для этой задачи подойдет схема стабилизатора тока на регулируемом стабилизаторе LM317, хотя её чаще применяют в роли стабилизатора напряжения.

Её можно и использовать для получения фиксированного тока при постоянном напряжении. Это особенно полезно при подключении светодиодов к бортовой сети автомобиля, где напряжение в сети при заглушенном двигателе около 11.7-12В, а при заведенном доходит до 14.7В, разница более чем в 10%. Также отлично работает и при питании от блока питания.

Расчёт выходного тока достаточно прост:

Читайте также:  Как проверяют очищают и регулируют форсунки

Получается достаточно компактное решение:

Этот способ не отличается высоким КПД, он зависит от разницы напряжений между входом стабилизатора и его выходом. Всё напряжение «сгорает» на LM-ке. Потери мощности здесь определяются по формуле:

Чтобы повысить эффективность работы регулятора, нужен кардинально другой подход – импульсный регулятор или ШИМ-регулятор.

Способы регулирования яркости: ШИМ-регулировка

ШИМ расшифровывается, как «широтно-импульсная модуляция». В её основе лежит включение и выключение питания нагрузки на высокой скорости. Таким образом, мы получаем изменение тока через светодиод, поскольку каждый раз на него подается полное напряжение, необходимое для его открытия. Он быстро включается и отключается на полную яркость, но из-за инерционности зрения мы этого не замечаем и это выглядит как снижение яркости.

При таком подходе источник света может выдавать пульсации, не рекомендуется использовать источники света с пульсациями более 10%. Подробные значения для каждого вида помещений описаны в СНИП-23-05-95 (или 2010).

Работа под пульсирующим светом вызывает повышенную утомляемость, головные боли, а также может вызвать стробоскопический эффект, когда вращающиеся детали кажутся неподвижными. Это недопустимо при работе на токарных станках, с дрелями и прочим.

Схем и вариантов исполнения ШИМ-регуляторов великое множество, поэтому все их перечислять бессмысленно. Простейший вариант – это собрать ШИМ-контроллер на базе микросхемы-таймера NE555. Это популярная микросхема. Ниже вы видите схему такого светодиодного диммера:

А вот фактически это одна и та же схема, разница в том, что здесь исключен силовой транзистор и она подходит для регулировки 1-2 маломощных светодиодов с током в пару десятков миллиампер. Также из неё исключен стабилизатор напряжения для 555-микросхемы.

Подробнее про широтно-импульсную модуляцию:

Как регулировать яркость светодиодных ламп на 220В

Ответ на этот вопрос простой: обычные светодиодные лампы практически не регулируются – т.е. никак. Для этого продаются специальные диммируемые светодиодные лампы, об этом написано на упаковке или нарисован значок диммера.

Пожалуй, самый широкий модельный ряд диммируемых светодиодных ламп представлен у фирмы GAUSS – разных форм, исполнений и цоколей.

Устройство диммируемых светодиодных ламп:

Почему нельзя диммировать светодиодные лампы 220В

Дело в том, что схема питания обычных светодиодных ламп построена либо на базе балластного (конденсаторного) блока питания. Либо на схеме простейшего импульсного понижающего преобразователя первого рода. 220В диммеры в свою очередь просто регулируют действующее значение напряжения.

Различают такие диммеры по фронту работы:

1. Диммеры срезающие передний фронт полуволны (leading edge). Именно такие схемы чаще всего встречаются в бытовых регуляторах. Вот график их выходного напряжения:

2. Диммеры срезающие задний фронт полуволны (Falling Edge). Различные источники утверждают, что такие регуляторы лучше работают как с обычными, так и с диммируемыми светодиодными лампами. Но встречаются они гораздо реже.

Обычные светодиодные лампы практически не будут изменять яркость с таким диммером, к тому же это может ускорить их выход из строя. Эффект такой же, как и в схеме с реостатом, приведенной в предыдущем разделе статьи.

Стоит отметить, что большинство дешевых регулируемых LED-ламп ведут себя точно также, как и обычные, а стоят дороже.

Регулировка яркости светодиодных ламп – рациональное решение 12В

Светодиодные лампы на 12В широко распространены в цоколях для точечных светильников, например G4, GX57, G5.3 и другие. Дело в том, что зачастую в этих лампах отсутствует схема питания как таковая. Хотя в некоторых установлен на входе диодный мост и фильтрующий конденсатор, но это не влияет на возможность регулирования.

Это значит, что можно регулировать такие лампочки с помощью ШИМ-регулятора.

Таким же образом, как и регулируют яркость LED-ленты. Простейший вариант регулятора, вот такой вот на проводках, в магазинах они обычно называются как: «12-24В диммер для светодиодной ленты».

Они выдерживают, в зависимости от модели, порядка 10 Ампер. Если вам нужно использовать в красивой форме, т.е. встроить вместо обычного выключателя, то в продаже можно найти такие сенсорные 12В диммеры, или варианты с вращающейся ручкой.

Вот пример использования такого решения:

Ранее применялись галогеновые лампы на 12В их питали от электронных трансформаторов, и это было отличным решением. 12 вольт – это безопасное напряжение. Чтобы запитать эти лампы на 12В электронный трансформатор не подойдет, нужен блок питания для светодиодных лент. В принципе, переделка освещения с галогеновых на светодиодные лампы в этом и заключается.

Заключение

Самым разумным решением регулирования яркости светодиодного освещения является использовании 12В ламп или светодиодных лент. При понижении яркости возможно мерцание света, для этого можно попробовать использовать другой драйвер, а если вы делаете шим-регулятор своими руками – увеличить частоту ШИМ.

Источник

Adblock
detector