Галузеві видання дружним хором звеличують гідності вуличного освітлення, в якому використовуються світлодіоди. Безсумнівно, що однією з причин появи таких публікацій є стимулювання вдосконалення твердотільних систем освітлення федеральними організаціями.
У статті обговорюється проблема удосконалення системи подання технічних характеристик світлодіодних пристроїв в каталогах і допустимі в них типові помилки.
Варіюючи струм через світлодіоди і задаючи температурний режим, можна домогтися оптимізації світлодіодних систем освітлення по ефективності, розмірами друкованих плат, терміну служби і вартості. Однак для отримання коректних результатів необхідно проводити моделювання роботи світлодіодів при різних токах і температурах.
инок світлодіодного освітлення розвивається дуже швидко, але вартість світлодіодів залишається ще досить високою, тому перед розробниками стоїть завдання підвищення світловіддачі світлодіодів для зниження їх кількості. Найпростіший спосіб вирішення цього завдання полягає в збільшенні струму, але це автоматично веде до підвищення температури, яка, в свою чергу, може погіршити світловіддачу, знизити ефективність і скоротити термін служби. Очевидно, що в такому випадку необхідно застосовувати радіатори. Коректна розробка систем освітлення враховує не тільки ці чинники, а й особливості схем драйверів світлодіодів. Були розроблені нові інструменти, що дозволяють спростити процес проектування систем освітлення і надати розробникам можливість компромісу між високою ефективністю, малими розмірами плат і низькою вартістю.
Основне завдання проектувальників систем освітлення полягає в забезпеченні заданої світловіддачі. Як правило, розробники звертаються до технічної документації на світлодіоди, знаходять там відповідне значення світлового потоку і по ньому визначають кількість світлодіодів, необхідне для даної системи. Зазвичай світловий потік визначається в лабораторних умовах при постійній температурі 25ºC при подачі короткого імпульсу струму. Але в реальних умовах світлодіоди досить сильно розігріваються. Ефективність кращих з тих, що представлені сьогодні на ринку, становить лише 20-30%, що, однак, в порівнянні з показниками інших освітлювальних пристроїв, можна вважати непоганим результатом. Фактично, цей показник набагато перевершує ефективність вольфрамових ламп розжарювання, яка для ламп потужністю 100 Вт становить близько 2,2% при світловому виходи 1500 лм. Але питання полягає в тому, де губляться залишилися 70% потужності? На відміну від вольфрамових ламп, що виділяють тепло у вигляді інфрачервоного випромінювання, світлодіоди віддають тепло за рахунок теплопровідності. Звідси випливає необхідність застосування радіаторів для контролю температури. Розробники, що оптимізують струм і температуру світлодіодів, повинні брати до уваги такі важливі специфічні параметри: світловий потік, Vf (падіння напруги в прямо зміщеному светодиоде) і світлову ефективність (світловий потік, поділений на споживану потужність, в лм / Вт), що визначають ефективність світлодіодів .
При збільшенні струму через світлодіоди, зростає і світловий потік, що може бути використано для зменшення кількості світлодіодів в матриці для зниження вартості (див. Рис. 1а). На практиці для отримання більшої светоодачі можна змусити працювати світлодіод при токах, в два-три рази, що перевищують номінальний струм (для перевірки цього факту знайдіть в довідкових даних на світлодіоди значення максимального струму). Але при цьому доводиться шукати компроміс з температурою, яка при використанні однакових за розміром радіаторів з ростом струму збільшується (див. Рис. 1б). Підвищення температури веде до зменшення терміну служби і зниження надійності світлодіодів. Це також призводить до зниження світлового виходу, іноді значного (див. Рис. 1в). Для зниження температури необхідно використовувати радіатор більшого розміру, але це веде до збільшення розмірів плат і вартості системи. На відміну від світлового потоку, світлова ефективність з ростом температури падає (див. Рис. 1г). Таке зниження світлової ефективності може призвести до того, що світлодіод перестане відповідати вимогам державних стандартів по ефективності з точки зору енергозбереження. Крім того, напруга прямого зміщення світлодіода збільшується з ростом струму і знижується при підвищенні температури, що треба враховувати при виборі схеми драйвера. Наприклад, в разі простою понижувальної схеми, сумарна напруга прямого зміщення в лінійці з послідовних світлодіодів має підтримуватися нижче рівня мінімального вхідного напруги, в іншому випадку може знадобитися застосування підвищувальних або знижуюче-підвищують схем. Звідси ясно, що розробнику систем освітлення доводиться шукати компроміс між вартістю, розмірами плат, надійністю та ефективністю. І це не вирішується шляхом простого збільшення струму.
Мал. 2б. Компроміс між різними варіантами оптимізації розробки системи на 2500 лм
Перший варіант відповідає системі з найменшим розміром друкованої плати. При малій площі радіатора система має обмеження по охолоджуючої здатності, тому доводиться підтримувати помірний робочий струм і миритися з досить високою робочою температурою. Обраний варіант оптимізації використовує матрицю з 13 світлодіодів, що вимагає застосування радіатора площею 35 см 2 з ΘSA, рівній 0,7ºC / Вт, але через низький струму тут доведеться використовувати 19 світлодіодів, що збільшує вартість системи до 88,75 дол.
Зі сказаного видно, що характеристики світлодіодів змінюються в широкому діапазоні в залежності від робочого струму, і температури. Однак єдиного найкращого рішення, звичайно ж, не існує. Висока світлова ефективність і тривалий термін служби можуть бути досягнуті тільки за рахунок підвищення вартості і розмірів. І навпаки, прагнучи знизити вартість і розміри, доводиться шукати компроміс між світловий ефективністю і терміном служби, які є двома основними характеристиками світлодіодів. Надія залишається тільки на те, що світлодіоди розвиваються дуже швидко і постійно з'являються їх нові моделі з поліпшеними технічними даними. Тому організатори повинні постійно відслідковувати ринок, щоб не пропустити останні моделі світлодіодів.
При розробці світлодіодів системи освітлення після вибору кількості світлодіодів, радіатора і струму необхідно визначитися з драйвером, керуючим світлодіодами. Для досягнення високої ефективності управління застосовуються, як правило, імпульсні регулятори. Отже, наступні етапи розробки полягають у виборі схеми драйвера і типу матриці світлодіодів.
З точки зору управління критичним параметром є відношення напруги на світлодіодним матриці до діапазону вхідних напруг. Якщо повне напруга на матриці менше мінімуму Vin (плюс деякий запас для обліку втрат на ключі), то може бути використана знижує схема. Це найпростіша схема для реалізації, до того ж її перевагою є висока ефективність і низький вхідний струм.
Якщо повне напруга на матриці перевищує максимальне значення Vin, то буде потрібно використовувати підвищує схему. Це також добре відпрацьована схема, але до її недоліків можна віднести необхідність застосування високовольтних польових (FET) транзисторів, що працюють при великих токах, що залежить від того, наскільки необхідно підвищити напругу. Це може привести до збільшення вартості і розміром друкованих плат.
І, нарешті, якщо напруга на матриці світлодіодів знаходиться між максимумом і мінімумом Vin, то застосовується знижуюче-підвищує схема. Ця схема забезпечує дуже гнучку роботу з матрицею, але має дуже складний драйвер і, відповідно, відрізняється високою ціною.
Для обраної схеми драйвера визначається конфігурація матриці світлодіодів. Якщо обрана знижує схема, то матриця може бути розбита на паралельні лінійки, напруги на яких повинні бути менше мінімального вхідного напруги. Однак якщо паралельні лінійки об'єднуються на одному і тому ж виході драйвера з одним токочувствітельним резистором, то виникає проблема, пов'язана з тим, що в лінійках через відмінності в напружених прямого зміщення світлодіодів можуть текти різні струми. Це може привести до різниці яскравості і температур і означати різний термін служби лінійок світлодіодів. Цю проблему можна вирішити, використовуючи драйвер з безліччю виходів і токочувствітельних резисторів або застосовуючи кілька драйверів з одним виходом.
Щоб вирішити проблему поділу струму, світлодіоди можна з'єднати послідовно. Однак при цьому повне напруга на світлодіодах може стати досить високим. Якщо воно перевищить 60 В, то для відповідності державним стандартам можуть знадобитися додаткові запобіжні заходи та сертифікати.
Для розглянутого вище збалансованого варіанту оптимізації системи на 2500 лм з послідовною зміною з 9 світлодіодів були перевірені кілька типів драйверів. При цьому діапазон вхідних напруг становив 15 ... 25 В. На малюнку 3 представлена діаграма, що ілюструє залежність розміру друкованої плати для всієї системи від світлової ефективності та враховує втрати драйвера. Розмір гуртків пропорційний вартості. Нижня права частина діаграми відповідає найбільшою світловою ефективності і найменшого розміру плат. При цьому використовувалася єдина лінійка з 9 світлодіодів. Повна напруга на світлодіодах дорівнювало 28,6 В, що вище максимального вхідного напруги 25 В, тому тут застосовувалася підвищує схема драйвера. Середня частина діаграми відповідає застосуванню понижуючого драйвера. В цьому випадку світлодіоди були розбиті на три лінійки з напругою 9,5 В, що нижче мінімального вхідного напруги.
Мал. 3. Опції матриць з лінійок світлодіодів і драйверів для системи на 2500 лм в діапазоні вхідних напруг 15 ... 25 В.
На діаграмі показано застосування трьох окремих драйверів, але з метою зниження ціни вони можуть об'єднуватися, щоб використовувати один драйвер з одним токочувствітельним резистором, але при цьому виникає ризик нерівномірного розподілу струму. Остання група в верхньому лівому кутку відповідає застосуванню двох лінійок з п'яти світлодіодів, напруга кожної з яких становить 15,9 В.
У таблиці 1 розглянуто варіант використання однієї лінійки послідовних світлодіодів. Тут для різних топологій драйверів змінювалися вхідні напруги. У цій таблиці враховуються тільки характеристики драйвера, і не розглядається внесок, внесений світлодіодами і радіатором. У першому випадку для можливості застосування понижувальної схеми діапазон вхідних напруг становив 35 ... 40 В, що вище напруги на лінійці світлодіодів, рівного 28,6 В. Ефективність драйвера без урахування світлодіода склала 93% при займаної площі плати 3,5 см 2 і вартості 1 , 90 дол.
Для застосування підвищує схеми вхідний діапазон напруг дорівнював 20 ... 25 В, що нижче напруги на світлодіоді. Досягнута ефективність в цьому випадку також дорівнює 93%, але займана площа плати стала більше - 6,3 см 2 при вартості 3,02 дол.
В останньому випадку діапазон вхідних напруг становив 25 ... 35 В. Оскільки напруга на світлодіоді знаходилося між максимумом і мінімумом вхідної напруги, то застосовувалася знижуюче-підвищує схема. Ефективність в цьому випадку стала нижче - 88%. а площа плати більше - 8 см 2 при вартості 4,04 дол. Звідси видно, що вартість драйвера світлодіода становить лише 5-15% від загальної вартості системи, а його ефективність (93%) значно перевищує ефективність всієї системи (24%) (див. табл. 2). На останньому етапі проектування драйвера розробляється його реальна схема. Програма проектування драйвера автоматично створює перелік компонентів (ВВП), але при цьому надає користувачам можливість змінювати пасивні компоненти, одночасно перевіряючи при цьому зміна характеристик системи.