Układy scalone do korekcji współczynnika mocy lamp ze świetlówkami i diodami LED

Powszechnie używane żarówki (o współczynniku mocy równym jedności) znikają z rynku Unii Europejskiej. Zamiast nich pojawią się miliardy lamp LED i świetlówek. Ich sprawność energetyczna jest znacznie większa, jednak wymagają one użycia układów elektronicznych zasilanych napięciem 220V_AC. Układ taki umieszcza się zwykle w obudowie lampy, tak więc dla użytkownika jest on niezauważalny.

Zwykle zawiera on prostownik i kondensator wygładzający (magazynujący ładunek). Kondensator jest w każdym półokresie ładowany do napięcia szczytowego, natomiast natężenie prądu zależy od tego, w jakim stopniu kondensator zostaje rozładowany przez obciążenie. Wskutek tego pojawiają się różnice faz obniżające współczynnik mocy poniżej jedności.

Stopień prostowniczy zasila obwód sterujący źródłem światła. W przypadku lampy LED jest to przetwornica DC/DC, a w przypadku świetlówki elektroniczny statecznik z układem rezonansowym, inicjujący zapłon i podtrzymujący wyładowanie w lampie. Oba te obwody działają z częstotliwością większą od sieciowej i również mają wpływ na wartość współczynnika mocy.

Rys. 1. Schemat przykładowego zasilacza LED z korekcją współczynnika mocy

W układach z lampą LED współczynnik ten zmniejsza się do 0,5, a w układach sterujących świetlówkami do 0,6. Przepisy wymuszające korekcję współczynnika mocy są stosowane do pojedynczych lamp o mocy większej od 25W. Moc pobierana przez pojedynczą diodę wynosi co prawda zaledwie 3W, a przez świetlówkę około 7W, ale kto używa tylko jednej żarówki w żyrandolu?

Można sobie wyobrazić, co będzie się działo, gdy w państwach Unii Europejskiej zostaną wymienione wszystkie żarówki. Żadna z obecnie dostępnych energooszczędnych lamp nie jest wyposażona w układ do korekcji współczynnika mocy. Trzeba się więc spodziewać, że niedopatrzenie to zostanie wkrótce skorygowane.

Korekcja współczynnika mocy układu sterowania świetlówek

Zadaniem aktywnego korektora współczynnika mocy jest uzyskanie jak najmniejszego przesunięcia fazowego pomiędzy prądem i napięciem oraz jak najmniejszej zawartości harmonicznych. Korekcja jest realizowana poprzez ładowanie kondensatora do napięcia wyższego od napięcia szczytowego (√2 razy wyższego od skutecznego napięcia sieci), dzięki czemu energia zgromadzona w kondensatorze wystarcza do wymuszenia liniowego poboru mocy z sieci energetycznej przez obciążenia nieliniowe.

Na rynku jest wiele układów scalonych realizujących w ten sposób korekcję, ale można je podzielić na dwie grupy. W pierwszej znajdują się rozwiązania przeznaczone do dużych obciążeń, pracujące w trybie przewodzenia ciągłego (CCM – Continuous Conduction Mode). Druga zawiera układy przeznaczone do pracy z obciążeniami do około 30W i pracuje w trybie przewodzenia nieciągłego.

Transformator wchodzący w skład korektora małej mocy osiąga typowo ponad 90% sprawności i pozwala uzyskać w układzie współczynnik mocy większy od 0,95. Nieco większy współczynnik mocy daje się otrzymać po zastosowaniu transformatora toroidalnego. Napięcie wyjściowe obwodu PFC zwykle ustala się na poziomie 330–335V.

To tylko kilka woltów więcej od napięcia szczytowego na kondensatorze wygładzającym prostownika, dzięki czemu statecznik elektroniczny zasilający lampę może pozostać niezmieniony. Układ korektora dla większości aplikacji składa się jedynie z transformatora, małego tranzystora MOSFET, scalonego układu korekcyjnego, jednej szybkiej diody i kilku pasywnych elementów SMD.

Korekcja współczynnika mocy układu sterowania diod LED

Z diodami LED dużej mocy jest inaczej. Po korekcji współczynnika mocy, wysokie napięcie stałe musi zostać przetworzone na niższe napięcie stabilizowane, a jeszcze lepiej na stabilizowany prąd. Z przyczyn technicznych korekcja współczynnika mocy i przetwarzanie napięcia nie mogą być wykonywane z użyciem tylko jednego transformatora.

Napięcie wyjściowe w takim przypadku silnie fluktuowałoby z częstotliwością 100Hz, a współczynnik mocy osiągnąłby co najwyżej 0,7. Rozwiązanie takie nie ma więc sensu w porównaniu ze zwyczajną konwersją DC/DC. Wymogi dla przetwornicy DC/DC do diod LED zakładają obecnie, że tętnienia napięcia wyjściowego korektora współczynnika mocy muszą zostać wygładzone, a przetwornica musi otrzymywać bardzo stabilne napięcie wejściowe, niezależne od prądu wyjściowego.

Konieczna jest także separacja galwaniczna i duża sprawność przetwarzania. Musi też zostać zapewniona ochrona nadnapięciowa przy odłączeniu obciążenia, no i w końcu konieczne jest zapewnienie możliwości regulowania jasności diod LED. Przy takich wymaganiach najprostszym rozwiązaniem jest użycie jeszcze jednego korektora zapewniającego dokładną stabilizację napięcia lub prądu.

Umożliwia to regulację jasności diod LED bez zaburzeń powstających w regulatorach z modulacją szerokości impulsów (PWM). Do separacji galwanicznej może być wykorzystana przetwornica zaporowa. W celu oszczędności energii i zmniejszenia ciepła wydzielanego wewnątrz obudowy lampy użyto tranzystora FET o bardzo małej rezystancji R_DS(on).

W przytoczonym poniżej (rys. 1) układzie zasilającym diodę LED 10W zastosowano tranzystor FET o ciągłym prądzie przewodzenia mniejszym od 500mA. Ze względu na znajdującą się na wyjściu korektora separowaną przetwornicę, napięcie pracy tego tranzystora musi wynosić 600V. A dzięki stabilności napięcia wejściowego 330V, dostarczanego przez układ korekcyjny, stabilizowane musi być jedynie natężenie prądu płynącego przez diodę LED.

Sprawność przetwornicy DC/ DC wynosi około 80%, a układu korekcji współczynnika mocy około 90%, co daje sprawność sumaryczną na poziomie 70%. Ponieważ układ korekcji mieści się przed przetwornicą, filtracja od strony zasilania może być minimalna w porównaniu z bezpośrednim połączeniem w typowej przetwornicy DC/DC do sterowania diodami LED. Użycie filtru wejściowego wywołuje dodatkowe przesunięcie fazowe, trzeba więc zgodzić się na kompromis pomiędzy wymogami odnośnie do EMI i współczynnikiem mocy. (KKP)