Управление светодиодами с помощью балласта от люминесцентной лампы

Благодаря развитию светодиодов повышенной яркости, SSL (Solid State Lighting - твердотельное освещение) начинает занимать лидирующие позиции на рынке. Для административных зданий и магазинов выбирается светодиодное освещение, а не люминесцентное, поскольку оно обладает высокой эффективностью, быстрым запуском, поддерживает диммирование, не требовательно к техническому обслуживанию и более стильное. Однако замена люминесцентного источника освещения будет включать не только стоимость новых светодиодных светильников, но и трудовых затрат.

Для снятия балласта люминесцентного источника освещения требуется длительное время, поэтому трудозатраты и время простоя оборудования будут занимать значительную часть общих затрат на модернизацию. В данной разработке нам необходимо управлять светодиодами напрямую от электронных балластов. В первой части документа описывается AC/DC преобразователь без активного токового управления светодиодами. Во второй части будет представлен метод по активному токовому управлению светодиодами.

Для управления люминесцентными лампами нужен источник переменного электрического тока. Если используется источник напряжения, схема будет нестабильной из-за характеристики отрицательного сопротивления лампы. Ток лампы определяется производителем лампы, и балласт должен быть изготовлен так, чтобы ток превышал диапазон напряжения лампы.

Для светодиодов нужен источник напряжения постоянного тока. Простая схема мостового выпрямителя позволит светодиодной ленте работать от выхода балласта, если ток и напряжение светодиода находятся в разумных пределах по отношению к характеристикам люминесцентной лампы. Ток высокой частоты от электронных балластов потребует использования импульсных диодов, таких как STTH102 или STTH1R02 от компании ST. Светодиоды самостоятельно будут ограничивать обратное напряжение диода. На Рисунке 1 показана общая схема.

Рисунок 1. Балласт, который преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока

Мост для каждого конца люминесцентной лампы отвечает за нить обмотки в некоторых типах балласта. Если балласт имеет только один выход для каждого конца, тогда одну пару диодов на каждом конце следует отключить.

Выходной ток балласта – это Iballast, обычно представляется как среднеквадратичная величина. Мы можем вычислить ток светодиода по следующей формуле:

Для длительного срока эксплуатации необходимо установить конденсатор для снижения пульсирующей компоненты постоянного тока, которая воздействует на светодиоды. Его номинал выбирается в зависимости от напряжения и тока светодиода. Для этой цели можно использовать небольшой пленочный конденсатор, поскольку балласт работает на частоте около 40 кГц.

Поскольку электронный балласт является источником тока, всегда существует проблема, когда светодиодная нагрузка обрывается. Напряжение значительно возрастает, что может повредить схему (в особенности на тестовом стенде, на стадии экспериментов …). Поэтому светодиодный драйвер должен иметь защиту от обрыва нагрузки. На Рисунке 2 показан один из методов решения данной проблемы. Если светодиодная лента отключена или оборвана, напряжение через тиристор SCR (кремниевый управляемый вентиль) будет превышать порог напряжения, установленный стабилитроном D5; при этом SCR сработает и цепь закоротится. Цепь останется закороченной, пока не отключится источник подачи питания. Балласт не будет поврежден, поскольку он защищен от короткого замыкания.

Рисунок 2. Схема защиты от обрыва нагрузки

В схеме используется трансформатор, который согласовывает низкое напряжение питания светодиодных лент с расчетным напряжением и током балласта. Чтобы избежать нарушения работы резонансного преобразователя балласта, индуктивность намагничивания (индуктивность холостого хода) стороны обмотки балласта должна быть больше 20 мГ. В данном случае, использование автотрансформаторов является оптимальным решением с точки зрения снижения общего размера.

Во второй части проекта рассматривается AC/DC преобразователь с активным токовым управлением светодиода, который учитывает гармонический входной ток и максимальную длину светодиодных лент для балластов подобного типа.

Непосредственная замена люминесцентной лампы на светодиодную сборку может привести к неравномерному освещению. Желательно управлять током светодиода так, чтобы согласовать с выходом менее мощных ламп. На Рисунке 3 показана схема регулировки тока.

Рисунок 3. AC/DC преобразователь с активным токовым управлением светодиода

Балласт считается высокочастотным источником тока. Поскольку требуемый ток нагрузки меньше, чем ток на выходе балласта, необходимо выполнить регулировку путем закорачивания балласта для каждой части полуцикла.

Управляющий сигнал будет засинхронизирован с выходом от балласта. Важно синхронизировать переключение ключа Q2 с выходом балласта, в противном случае балласт может отключиться. Логика работы схемы управления очень простая. Когда ключ Q2 отключен, выходной ток балласта будет запитывать светодиодную нагрузку. Если ток светодиода выше установленного значения, тогда ключ Q2 сработает. При этом питание на светодиодную ленту подаваться не будет. Длительность “времени включения”, т.е. продолжительность включения, будет определять ток светодиода. Контроллер будет определять тока светодиода с помощью резистора Rsense, вычислять правильный коэффициент заполнения импульсов D, и передавать управляющий сигнал для включения ключа Q2. Если D – это коэффициент заполнения импульсов, тогда ток светодиода вычисляет по формуле:

В данной разработке можно использовать аналоговый контроллер или микроконтроллер. Подробная работа схемы указана в Ссылке патентной заявки (“Power Converter for Interfacing a Fluorescent Lighting Ballast to a Light Emitting Diode Lamp” US Provisional Patent Application No. 61/817,065 от 29 апреля 2013 года).

Если источник питающего тока запитывает любые электронные компоненты, тогда необходимо использовать защиту от обрыва нагрузки. Q1, тиристор SCR, сгорает при напряжении 82 вольта, если нагрузка не потребляет весь ток, подаваемый балластом, из-за коэффициента преобразования трансформатора.

Схема протестирована с тремя различными типами балласта, и регулирует ток светодиода в пределах долей процента всего диапазона напряжения светодиода. Длина светодиодной ленты, при которой балласты различного типа сохраняют работоспособность, указана в Таблице 1.

Таблица 1 – Длина светодиодной ленты для данного типа балласта

Фактически, ток светодиода находится в диапазоне от 0.697A до 0.698A свыше вышеуказанного диапазона. КПД от линии AC через балласт и регулятор к светодиодной нагрузке варьируется в пределах от 75.2% до 77.2% с нагрузкой из 16 светодиодов.

Рисунок 4. Типичные формы сигнала

Желтый: Входное напряжение
Малиновый: Входной ток, 100 мА/дел
Голубой: Напряжение светодиода
Зеленый: Ток светодиода, 200 мА/дел, эталон -3 дел

Гармонический спектр входного тока довольно высокий, что иногда приводит к ложному срабатыванию при переходе через нулевой уровень. Небольшая катушка (L1) на входе используется для снижения гармонического спектра. При больших значениях индуктивности катушки может произойти резонанс с выходным ограничительным конденсатором балласта на частоте инвертора, повреждая механизм ограничителя тока балласта. Если рабочая частота балласта известна, тогда вместо катушки нужно использовать параллельный резонансный заграждающий фильтр для 5ой гармоники, для общего прироста КПД порядка 1-2%.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Перевод
• Светодиод
• Освещение