Publitek Marketing Communications
Digi-Key
Вследствие роста цен на энергоносители и законодательного запрета на использование ламп накаливания во многих странах домовладельцы стали искать более энергоэффективные решения, обеспечивающие, с одной стороны, качественное освещение, а с другой – возможность такого же простого управления им, какое было доступно при использовании традиционных источников света. Некоторые воспользовались происходящими изменениями для обновления систем управления освещением, поскольку появление светодиодных источников света, хорошо вписывающихся в новые требования, делает эти изменения в осветительных технологиях привлекательными для пользователей.
Однако очень многие хотят сохранить старые диммеры, открывая тем самым рынок для ретрофитных ламп, которые можно ввернуть в стандартные домашние патроны, используя уже существующие схемы управления. Но при использовании старых светорегуляторов возникают проблемы совместимости с компактными флуоресцентными и светодиодными лампами, что требует добавления к лампам специальных схем.
 |
|
| Рисунок 1. | Диммеры с отсечкой фазы ограничивают мощность, подаваемую на лампу в течение каждого полупериода сетевого напряжения, управляя задержкой момента подключения напряжения к нагрузке. |
Почти во всех устанавливаемых в домах стандартных диммерах используется принцип отсечки фазы. Преимущество таких схем – простота и надежность. Схема обрезает часть синусоиды в каждом цикле переменного напряжения и, тем самым, меняет действующее значение напряжения, приложенного к нити накаливания (Рисунок 1). Это, в свою очередь, меняет световой поток нити. Поскольку для нагрева и охлаждения нити накаливания требуется сравнительно долгое время, такое переключение не заметно для человеческого глаза, за исключением, может быть, установки самых минимальных уровней. Существует два основных типа диммеров. Первый обычно выполнен на симисторе и отсекает фазу по переднему фронту синусоиды. Второй тип – транзисторный, в нем фаза обрезается относительно заднего фронта. Последние были разработаны для совместимости с емкостным входом электронных трансформаторов, используемых для питания низковольтных галогенных ламп.
Тем не менее, симисторные диммеры в качестве регуляторов освещения встречаются в домах чаще. Но при работе со светодиодными или компактными люминесцентными лампами (КЛЛ), используемыми в качестве ретрофитных замен, такие диммеры порождают множество проблем.
 |
|
| Рисунок 2. | Типовая схема симисторного диммера. |
Типовая схема симисторного регулятора включает в себя конденсатор, динистор, симистор и предназначенный для управления яркостью переменный резистор (Рисунок 2). Конденсатор заряжается, пока напряжение на нем не достигнет напряжения пробоя динистора. Длительность этого процесса зависит от установки переменного резистора. Это, в свою очередь, открывает симистор, и через него начинает протекать ток, замыкая цепь между источником питания и лампой. Ток через симистор продолжает течь до тех пор, пока не снизится ниже минимального уровня тока удержания. Поскольку лампа накаливания является простой резистивной нагрузкой, это снижение тока произойдет в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Симистор проводит ток в обоих направлениях (Рисунок 3), поэтому аналогичный процесс повторится и во время отрицательной полуволны переменного тока.
 |
|
| Рисунок 3. | Вольтамперная характеристика симистора. |
Многие диммеры рассчитаны на минимальную нагрузку 40 Вт или больше и, возможно, чтобы лампа накаливания начала светиться, потребуется немного повернуть ручку регулятора от нулевой установки. В связи с тем, что для КЛЛ требуется всего лишь 10% от энергии, потребляемой лампой накаливания, это может вызвать проблемы при управлении, ограничивая диммирование очень узким диапазоном, близким к пиковой мощности.
Смена технологий освещения делает нагрузку все более сложной и все менее похожей на лампы накаливания. Нередко она представляет собой емкость, из-за которой ток в течение периода несколько раз падает ниже уровня удержания симистора, что становится причиной кратковременных отключений нагрузки.
Проблемным элементом является и схема, используемая для питания самой лампы. Балласты КЛЛ часто содержат выпрямитель напряжения, в котором диоды моста проводят ток только в короткие промежутки времени. Это же справедливо и в отношении простых драйверов светодиодов.
Например, для питания светодиодов можно использовать схемы пассивных драйверов, обычно содержащие выпрямительный мост и несколько резисторов и конденсаторов. Но такая схема, как правило, может обеспечить лишь небольшой ток, так как в противном случае размеры пассивных компонентов будут очень велики, а их цена, соответственно, высока. Эффективность преобразования в таких схемах очень низка, а выпрямительный мост может создавать серьезные проблемы.
Эффективность активных драйверов выше благодаря использованию импульсного преобразователя, в типичном случае, понижающего, но и они становятся источником потенциальных проблем при совместном использовании с симисторными диммерами.
Для эффективной работы диммера необходимо обеспечить путь для протекания через нагрузку тока, заряжающего конденсатор при закрытом симисторе, и поддерживать требуемый уровень этого тока в течение периода переменного напряжения. Если диммером установлен очень малый угол отсечки фазы, то времени для зарядки конденсатора небольшим током будет достаточно. Однако при больших углах процесс зарядки может не успевать завершиться в течение одного полупериода переменного тока, поэтому симистор будет переключаться реже, чем ожидается (Рисунок 4).
 |
|
| Рисунок 4. | Работа диммера, когда ток управления падает ниже уровня, при котором возможно удержание симистора во включенном состоянии в течение каждого полупериода переменного тока. |
Фильтр электромагнитных помех может усугубить эту проблему, поскольку емкостные и индуктивные элементы фильтра реагируют на потенциально большие изменения напряжения при включении симистора. В результате, для того, чтобы совместно с диммером использовать такую реактивную нагрузку, как КЛЛ и светодиодные лампы, приходится создавать специальные схемы драйверов.
Для обеспечения надлежащей работы с диммером схемы управления КЛЛ или светодиодными лампами должны эмулировать характеристики резистивной нагрузки лампы накаливания, но на гораздо меньших уровнях мощности. Поскольку ток через схему управляется диммером посредством установки фазового угла, он должен быть пропорционален среднеквадратичному значению входного напряжения. По сути, это означает повышение коэффициента мощности схемы как можно ближе к 1. Схемы пассивного драйвера светодиодов часто имеют коэффициент мощности до 0.6, что ниже определяемого стандартами уровня. Наиболее важным моментом является то, что ток через схему должен поддерживаться на достаточном уровне до пересечения напряжением нуля и начала нового полуцикла, чтобы гарантировать выключение симистора именно в этот момент.
Этот ток для поддержания работы симистора и заряда конденсатора может обеспечиваться пассивной или активной цепью деления напряжения. Самая простая пассивная цепь содержит только резистор и конденсатор, возможно также включение фильтрующих индуктивностей. Конденсатор, включенный параллельно нагрузке последовательно с резистором, обеспечивает фиксацию и удержание тока, в то время как резистор гасит всплески напряжения и тока, вызываемые включением симистора. Как правило, чем больше емкость конденсатора, тем выше стабильность схемы. Однако это снижает КПД и может привести к росту искажений.
Альтернатива, применяемая в более поздних конструкциях, заключается в использовании топологии активного делителя напряжения. Такое решение расширяет диапазон управления и регулирует входной ток с минимумом потерь мощности в схеме делителя. Существует несколько вариантов реализации активного делителя напряжения, в их числе простая схема накачки заряда. Однако для лучшего управления током специализированные драйверы светодиодов и источники питания теперь могут содержать схемы детекторов, активно отслеживающие поведение симисторной схемы.
Одно из таких устройств – микросхему LM3445 – выпускает компания Texas Instruments. Микросхема содержит детектор фазы включения симистора и делитель напряжения, которые в сочетании с пассивным корректором коэффициента мощности обеспечивают возможность управления током в течение большей части цикла. Источник тока управляется с помощью внешнего резистора. Для лучшей совместимости с дешевыми вариантами симисторных диммеров сопротивление этого резистора можно выбирать небольшим. Правда, расплатой за такую совместимость будет некоторая потеря КПД.
Детектор фазы включения следит за поведением симистора, контролируя пиковый ток, поступающий в схему преобразователя питания, что позволяет регулировать яркость в очень широких пределах, вплоть до токов светодиода 0.5 мА.
Та же Texas Instruments предлагает микросхему контроллера светодиодного освещения TPS92070, обеспечивающую экспоненциальную регулировку яркости в широком диапазоне с использованием внешнего диммера. Контролируя время нарастания переменного напряжения на входе, микросхема автоматически определяет наличие симисторного диммера.
Предназначенная для симисторных регуляторов яркости микросхема NCL30000 компании ON Semiconductor содержит схему точного управления вторичной стороной, обеспечивающую постоянство тока при максимальной установке диммера, и схему управления первичной цепью, ограничивающую мощность при уменьшении фазового угла, эмулируя, таким образом, работу лампы накаливания. Для этого система управления была модифицирована таким образом, чтобы при уменьшении угла проводимости возвращать управление от вторичной стороны схемы к первичной. Благодаря тому, что управление нагрузкой в этой схеме сделано пропорциональным только действующему значению входного напряжения, микросхема позволяет регулировать мощность как по переднему, так и по заднему фронту. Точную настройку выхода драйвера облегчает подключаемый к микросхеме внешний конденсатор.
Контроллеры LinkSwitch-PH и TopSwitch-HX компании Power Integrations для управления выходным током в режиме диммирования используют фазовое детектирование угла. На их основе можно создавать драйверы светодиодов, работающие во всем диапазоне напряжений, и без мерцания регулирующие яркость в соотношении 1000:1. Контроллеры LinkSwitch-PH работают в режиме непрерывной проводимости, снижающем уровень помех и позволяющем использовать фильтры меньшего размера, что способствует уменьшению взаимного влияния драйвера светодиодов и схемы диммера. Контроллер включает в себя также схему делителя напряжения, удерживающую симистор в проводящем состоянии, когда на светодиоды подается сравнительно небольшой ток.
Электронные балласты для компактных люминесцентных ламп, рассчитанных на работу с симисторными диммерами, тоже существуют. Одним из примеров может служить микросхема интеллектуального контроллера балласта IRS2530В компании International Rectifier. В микросхему встроена схема управления процессом перехода от запуска лампы к регулировке яркости, позволяющая уменьшать выходную мощность до 10% от максимальной. Схема обладает гистерезисом, обеспечивающим подачу напряжения, достаточного для зажигания лампы, без неоправданного снижения диапазона регулировки яркости.
Компания NXP Semiconductors тоже разработала ряд микросхем для балластов КЛЛ с поддержкой регулировки яркости. Например, UBA2028 для лучшего управления выходом балласта имеет детектор угла отсечки фазы. В микросхеме UBA2027 использован модифицированный фазовый детектор, обеспечивающий характеристики регулирования более привычные большинству пользователей, для которых, как правило, изменения яркости при малых уровнях заметнее, чем при максимальных. Схема определяет угол отсечки фазы по среднему значению напряжения и формирует регулировочную кривую напряжения, соответствующую функции косинуса, снижающую вариации уровней при высокой светоотдаче.
Описанные контроллеры освещения наглядно демонстрируют, как требования совместимости с диммерами привели к решениям, которые не только снимают проблемы использования симисторных схем, но и добавляют новые функции, такие, например, как управление кривой выходной мощности.
Заключение
Потребители стремятся принять энергосберегающие технологии освещения, представленные как светодиодами с их эффектным световым потоком, так и КЛЛ. Но новые источники света должны работать с уже установленными в помещениях старыми диммерами. В статье представлен обзор технологий управления питанием, облегчающих работу по проектированию совместимых с диммерами КЛЛ и светодиодных источников света. В обзор включены интегральные продукты управления освещением от компаний International Rectifier, NXP Semiconductors, ON Semiconductor, Power Integrations и Texas Instruments.
