Что такое источник питания, виды, принцип работы

Светодиодное освещение - импульсные против линейных источников питания

Драйвер светодиода - это мозг системы светодиодного освещения. Он обеспечивает преобразование мощности, регулирование нагрузки и защиту компонентов, находящихся ниже по потоку. 

Драйверы светодиодов также являются интерфейсами, с которыми интегрируются датчики и модули беспроводной связи, чтобы обеспечить взаимодействие человека и машины для приложений интеллектуального освещения.

Источники питания светодиодов делятся на две большие категории: импульсные источники питания и линейные источники питания. У каждого типа есть свои преимущества и недостатки.

Полезные статьи:

Что такое элетронные компоненты, виды, описание

Полупроводниковые приборы, виды, принцып работы

Все статьи

Что такое светодиодный источник питания (LED драйвер)?

Драйвер светодиодов - это электронное устройство, которое регулирует мощность светодиода или цепочки светодиодов. Светодиоды представляют собой твердотельные полупроводниковые устройства, пропитанные или легированные слоями для создания pn-перехода. Когда ток течет через легированные слои, дырки из p-области и электроны из n-области инжектируются в pn-переход. Они рекомбинируют, чтобы генерировать фотоны, которые мы воспринимаем как видимый свет. Преобразование тока в световой поток почти линейное, увеличение входного тока позволяет большему количеству электронов и дырок рекомбинировать в pn переходе, и, таким образом, генерируется больше фотонов.

В отличие от обычных источников света, которые работают непосредственно от источника переменного тока (AC), светодиоды работают на входе постоянного тока или модулированной прямоугольной волны, поскольку диоды имеют полярность. При вводе сигнала переменного тока светодиод будет гореть только примерно половину времени, когда сигнал переменного тока имеет правильную полярность, и сразу же погаснет при отрицательном смещении. Следовательно, постоянная подача постоянного электрического тока на фиксированный выход или переменный выход в допустимом диапазоне должна применяться к светодиодной матрице для стабильного немигающего освещения.

Принцип работы LED драйвера

Источник питания светодиодов, работающий от сетевого напряжения - это намного больше, чем простой преобразователь переменного тока в постоянный, который генерирует источник постоянного тока из входного напряжения сети переменного тока. Как и в случае с обычными преобразователями переменного тока в постоянный, источник питания светодиодов поставляется с двухполупериодным выпрямителем, который преобразует переменный ток в постоянный, при этом ток течет только в одном направлении.

В отличие от других преобразователей переменного тока в постоянный, которые просто повышают или понижают выпрямленное синусоидальное входное напряжение для обеспечения постоянного напряжения, источник питания светодиодов должен быть спроектирован так, чтобы подавать минимальное количество напряжения. Чтобы pn переход светодиодов был смещен в прямом направлении для обеспечения постоянного светового потока при регулировании пиковой величины тока через светодиоды, чтобы гарантировать, что светодиоды излучают с соответствующей интенсивностью и цветом.

В прошлом преобразователь переменного тока в постоянный, который обеспечивает регулируемое постоянное напряжение, назывался источником питания, а преобразователь переменного тока в постоянный, который обеспечивает регулируемый постоянный ток, назывался драйвером. Поскольку светодиодное освещение включает в себя регулировку как напряжения, так и тока, источник питания для светодиодного светильника можно назвать либо драйвером светодиодов, либо источником питания светодиодов.

Типы источников питания светодиодов

Выпрямленное напряжение представляет собой нерегулируемое постоянное напряжение с импульсной формой волны. Второй силовой каскад преобразования мощности переменного тока в постоянный является каскадом постоянного тока и становится критическим, поскольку остаточный входной сигнал переменного тока может проявлять большие колебания на выходе. Эта пульсация, которая проявляется в виде импульсной формы волны, должна быть отфильтрована, чтобы обеспечить стабильный, немерцающий световой поток. 

Помимо прямого напряжения и подачи постоянного тока на нагрузку светодиода, преобразователь постоянного тока в постоянный должен обеспечивать условие, при котором его выходная мощность не превышала максимальное номинальное напряжение, а также предотвратить перегрузку светодиода электрическим током. 

Электрические перенапряжения могут привести к тому, что светодиоды выйдут из строя быстрее, чем их ожидаемый срок службы. 

Импульсный источник питания

Драйвер светодиода использует импульсный стабилизатор для преобразования нерегулируемого постоянного тока в импульсную форму волны. 

LED импульсный источник питания - это драйвер светодиода, в котором в качестве преобразователя постоянного тока используется импульсный стабилизатор. Импульсный стабилизатор работает путем переключения проходного элемента между его областями отсечки и насыщения на высокой частоте. Проходным элементом или переключающим устройством может быть один или несколько биполярных переходных транзисторов, металлооксидные полупроводниковые полевые транзисторы или другие типы транзисторов. 

Регулятор также включает в себя индуктивность в качестве элемента накопления энергии. Когда силовой транзистор включен и передает энергию в нагрузку светодиода, тогда силовой транзистор выключен. 

Рабочий цикл или частота переключения регулируется схемой управления выдает управляющие сигналы с частотно-импульсной модуляцией или с широтно-импульсной модуляцией. Импульсный стабилизатор имеет контур отрицательной обратной связи, который отслеживает изменения выходной нагрузки и изменения входного напряжения. 

Импульсные регуляторы могут быть сконструированы с использованием различных технологий преобразователей, таких как понижающий, повышающий, понижающий-повышающий, и обратный ход для понижения или повышения напряжения питания.

Зачем использовать импульсные блоки питания?

Преимущество заключается в том, что они тратят гораздо меньше энергии и работают намного холоднее, чем линейные драйверы светодиодов, которые просто выбрасывают излишек электроэнергии в виде тепла. В коммутируемом режиме работы полупроводниковый переключатель имеет очень низкое сопротивление в состоянии «ВКЛ», и поэтому падение напряжения на его пути питания минимально. 

Высокая эффективность преобразования мощности делает драйверы светодиодов особенно привлекательными для систем освещения высокой мощности, которые имеют жесткие ограничения на эффективность системы и тепловые нагрузки. Импульсные источники питания способны выдавать точное выходное напряжение при различных условиях входного напряжения. 

Это очень привлекательная функция в эпоху цифрового освещения, поскольку различные приложения для управления освещением, такие как настраиваемое белое освещение и смешение цветов, требуют точной регулировки выходной мощности. Используя такие топологии, как понижающее усиление и обратный ход.

Недостатки

Импульсный источник питания - это довольно сложная схема, в которой обычно используются катушки индуктивности (или трансформаторы), переключающие транзисторы, конденсаторы и связанная управляющая электроника. Для поддержания стабильного выхода часто требуется сложная схема компенсации. 

Схема также может генерировать более сильные пульсации тока, которые необходимо сглаживать с помощью конденсаторов. Резко увеличиваются не только общая стоимость и объем драйвера светодиода, но и сложность схемы может привести к снижению надежности. 

Электролитические конденсаторы, которые могут высохнуть при нагревании, являются основной причиной выхода из строя драйверов светодиодов. Поскольку импульсные источники питания работают в высокочастотном переключателе, неизбежно возникает относительно высокий уровень электромагнитных помех.

Линейный источник питания

Линейные драйверы светодиодов вызывают много шума в индустрии освещения из-за их простой схемы работы и низких производственных затрат. 

Линейный драйвер светодиода обязан своим названием линейному регулятору, который играет ту же роль, что и импульсный регулятор в источнике питания, но совершенно по-другому. Линейный регулятор работает, управляя падением напряжения на проходном элементе, смещенном в линейной области, в то время как импульсный стабилизатор работает в областях насыщения и отсечки транзистора. 

В отличие от своего "кузена" переключения, который переключается между режимом полного включения (отсечки) или выключения (насыщения) на высокой частоте, линейный регулятор всегда работает в линейной области в частично включенном режиме, со степенью проводимости, определяемой отрицательной обратной связью. петля. По своей природе линейный регулятор имеет довольно простую конструкцию. Он не производит высокочастотных коммутационных шумов, и в схеме не используются элементы накопления энергии

Линейный источник питания LED преобразует напряжение постоянного тока нерегулируемого к регулируемому напряжению постоянного тока с использованием линейного регулятора. Линейный регулятор работает в линейной области проходного элемента для регулирования выходной мощности. Регулятор обычно содержит внутреннее опорное напряжение, усилитель ошибки (операционный усилитель), делитель напряжения обратной связи, проходной транзистор и выходной конденсатор. 

Усилитель ошибки контролирует разность опорного сигнала / обратной связи и управляет переключателем мощности, чтобы поддерживать желаемое значение на выходе. Линейные регуляторы являются понижающими преобразователями, которые аналогичны понижающим стабилизаторам импульсного типа. 

Все линейные регуляторы имеют минимальное падение напряжения, ниже которого регуляторы перестают работать. Такая схема с малым падением напряжения может регулировать выходное напряжение даже при очень небольшом дифференциальном напряжении между входом и выходом.

Как работает линейный светодиодный драйвер?

Типичный линейный драйвер светодиода включает двухполупериодный мостовой выпрямитель, фильтр пульсаций и линейный регулятор. Промышленная мощность переменного тока выпрямляется в мощность постоянного тока и сглаживается фильтром нижних частот для достижения постоянного напряжения постоянного тока с низким током пульсаций. Выпрямленное и отфильтрованное напряжение подается на линейный регулятор, который состоит из внутреннего опорного напряжения, усилителя ошибки, делителя напряжения обратной связи и проходного транзистора. 

Усилитель ошибки постоянно сравнивает разницу между опорным напряжением и напряжением обратной связи, обеспечиваемым резистивным делителем напряжения. Пропускной транзистор работает в линейной области для регулировки входного напряжения до желаемого выходного значения с помощью усилителя ошибки. На практике линейный регулятор, предназначенный для управления длинной цепочкой светодиодов, соединенных последовательно, часто включает в себя несколько регуляторов тока, которые настроены с разными шагами напряжения и тока. 

Шаги напряжения и тока делаются большими для первого регулятора и маленькими для последнего регулятора. Это делает нагрузку светодиода примерно синусоидальной по фазе с напряжением линии питания и, таким образом, достигается высокий коэффициент мощности и низкие общие гармонические искажения.

Преимущества и недостатки импульсного и линейного источника света

Линейные решения дешевы и просты. Это наиболее привлекательный аспект данной технологии. Поэтому производители освещения с большим энтузиазмом используют линейные драйверы светодиодов в своих продуктах, когда это возможно. В общем, линейные драйверы светодиодов могут быть отличным решением для систем освещения, где качество света не является главным приоритетом, а стоимость осветительной продукции сильно обеспокоена.

Отсутствие электромагнитного излучения является одним из важных технических преимуществ линейных драйверов светодиодов. Эта функция решает проблемы, с которыми сталкиваются в области медицинского, авиационного и автомобильного освещения, где требования очень высоки.

Линейные драйверы светодиодов по своей сути более надежны, чем драйверы светодиодов, в которых используются электролитические конденсаторы для поглощения скачков напряжения, которые могут присутствовать в линии переменного тока. Электролитические конденсаторы склонны к преждевременному выходу из строя при высоких температурах окружающей среды, что снижает надежность схемы. Линейные драйверы светодиодов не используют это устройство накопления энергии, вместо этого они используют микросхемы твердотельных драйверов для регулирования нагрузки.

Большинство линейных светодиодных драйверов работают с устаревшими симисторными диммерами без использования дополнительных схем диммирования. Эти драйверы не содержат реактивных компонентов, таких как катушки и конденсаторы, которые создают реактивную нагрузку на резистивный диммер и, таким образом, вызывают несовместимость.

Проблемы дизайна

Несмотря на все преимущества, которые дает управление светодиодами с использованием линейных регуляторов, конструкция линейного драйвера светодиода или светового двигателя предполагает множество компромиссов. Красота этой технологии заключается в ее простоте. Когда требуется больше функций, требуется более высокое качество освещения или строгое соблюдение кодов обязательно, технология линейных драйверов теряет свою славу. Преимущества линейных светодиодных драйверов достигаются ценой многих жертв.

Электрическая безопасность

В импульсных источниках питания можно установить высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной обмотками, чтобы блокировать опасно высокие напряжения. С другой стороны, линейные драйверы светодиодов имеют путь пробоя высокого напряжения через схему управления. Светодиодная лампа, мощность которой регулируется линейным драйвером светодиода, зависит от изоляционных свойств ее корпуса, что является серьезной проблемой для безопасности.

КПД и рассеивание тепла

Работа светодиодной матрицы с линейными драйверами светодиодов означает, что всегда есть падение напряжения. Большое падение напряжения означает не только низкий КПД, но и повышенную тепловую нагрузку на систему освещения, поскольку избыточная электрическая мощность рассеивается в виде тепла. В результате система светодиодного освещения, работающая в этом режиме, влечет за собой дополнительную теплоемкость для приема теплового потока от схемы драйвера.

Мерцание

В схеме линейного регулирования нагрузка, подаваемая на светодиоды, по существу является промежуточным напряжением постоянного тока, которое было бы в системе светодиодного освещения. Остаточная форма волны переменного тока может появиться на выходе в виде вариаций или пульсаций. Остаточная пульсация после каскада выпрямитель-фильтр вызывает мерцание, что значительно ухудшает качество света.

Фактор силы

Чтобы сгладить сильные пульсации тока, можно использовать большой конденсатор на первичной стороне. Однако это может снизить требования к коэффициенту мощности, поскольку реактивная мощность, потребляемая устройством накопления энергии, искажает форму волны выпрямленного тока первичной стороны. На коэффициент мощности также может влиять нерезистивное диммирование. Светодиодные лампы с номинальной мощностью более 5 Вт должны иметь минимальный коэффициент мощности 0,7, а коэффициент мощности всех светодиодных источников питания мощностью более 25 Вт должен быть более 0,9. Часто проектировщикам светильников приходится делать сложный выбор между контролем мерцания и соответствием.

Диапазон входного напряжения

В отличие от импульсных источников питания, которые могут быть разработаны для приема универсального входного напряжения переменного тока (например, от 100 до 277 В переменного тока), линейные источники питания имеют очень ограниченный диапазон напряжения питания, поскольку они не могут повысить выходное напряжение.