Zasilanie wysokonapięciowych diod LED o dużej jasności

Na rynku pojawiają się także coraz liczniej wysokonapięciowe diody LED o wysokiej jasności (HVHB), których napięcie przewodzenia UF jest rzędu 50-120 V. W zamyśle producentów mają one dać możliwość uzyskania wysokiej sprawności kompletnej lampy LED. Na razie jednak ich zasilanie napięciem zmiennym z sieci stwarza sporo trudności.

LED zasilane napięciem zmiennym

Rys. 1. Zasilanie LED HVHB bez przetwornicy

Początkowo próbowano zasilać takie diody LED napięciem zmiennym wprost z sieci. Wiąże się to jednak z szeregiem wad, w tym z niską sprawnością, małym współczynnikiem mocy i trudnością ściemniania. Rysunek 1 pokazuje schemat zastępczy i zakres przewodzenia LED. Podstawową wadą takiego rozwiązania jest niska sprawność.

Wynika to z niemożności zapewnienia ciągłego przewodzenia diody w szerokim chwilowych zakresie napięć zmiennego napięcia sieci. Spadek napięcia na rezystorze ograniczającym prąd przejmuje wtedy różnicę napięcia przewodzenia w stosunku do najwyższego napięcia zakresu. Obniża to sprawność i wytwarza ciepło, ograniczające żywotność LED.

Zasilanie LED napięciem zmiennym łączy się również z opóźnieniem rozpoczęcia emisji i niskim współczynnikiem mocy. Świecenie jest bowiem wzbudzane jedynie przez krótką część okresu napięcia przemiennego, gdy zostaje przekroczone progowe napięcie diody UF.

Z powodu niskiej sprawności lampy tego rodzaju nie mogą być używane do oświetlenia publicznego i mieszkaniowego. Również ściemnianie, w którym korzysta się z modulacji szerokości impulsów, jest z tych samych powodów w tych lampach bardzo utrudnione.

LED zasilane z przetwornic z PFC

Opisanych trudności można uniknąć, praktycznie tylko zasilając LED-y o wysokim napięciu UF z zasilacza z korekcją współczynnika mocy (PFC). Na rysunku 2 przedstawiono prosty zasilacz podwyższający napięcie wejściowe, zapewniający współczynnik mocy nie mniejszy od 0,97 i o sprawności powyżej 90%.

Sprzężenie zwrotne ustala optymalną relację pomiędzy wejściowym napięciem zmiennym a prądem obciążenia w diodzie. Dzięki temu LED mogą być zasilane w szerokim zakresie napięcia zmiennego (90-253 V_AC), a potrzebną moc wyjściową otrzymuje się przy małym natężeniu prądu, np. 42 mA dla 16-watowej lampy LED, utworzonej z czterech LED po 4 W, w połączeniu szeregowo-równoległym o wynikowym napięciu UF = 380 V.

Zasilacz podwyższający z PFC może służyć do zasilania szerokiego zakresu LED w rozmaitych kombinacjach połączeń szeregowo-równoległych. Niekiedy stosowanie osobnych konstrukcji dla sieci 110 V i 230 V jest korzystniejsze ze względu na koszty produkcyjne. Dużą zaletą tej konstrukcji jest brak na wejściu układu kondensatorów elektrolitycznych.

Ich żywotność nie przekracza 20 tys. godzin, a w razie przegrzewania nawet znacznie mniej. Lampy LED w takim układzie mogą osiągać żywotność do 50 tys. godzin. Jest to szczególne korzystne w zastosowaniu do oświetlenia ulicznego.

Stosowanie istniejących sposobów ściemniania

Rys. 2. Prosta przetwornica podwyższająca z PFC

Istotną cechą różniącą lampy LED z przetwornicą wyposażoną w korekcję współczynnika mocy od LED zasilanych z tradycyjnych zasilaczy prądowych, jest możliwość zastosowania triaków do ściemniania w szerokim zakresie.

Napięcie sieci po przejściu przez triak zostaje przetworzone na normalną wartość napięcia wyjściowego za pomocą przetwornicy z PFC. Natomiast kąt załączenia triaka może zostać układowo przetworzony na sygnał o modulowanej szerokości impulsów (PWM).

Jest to znacznie efektywniejszy sposób regulacji jasności niż najprostszy i najtańszy sposób ściemniania, czyli regulacja prądu stałego zasilającego diody przez zmianę parametrów sprzężenia zwrotnego przetwornicy. Wadą tego sposobu jest pojawiająca się przy zmianach niestabilność w pętli przetwornicy impulsowej.

Oscylacje wywołują często migotanie LED a zmiany natężenia prądu płynącego przez LED, zmieniają kolor jej świecenia (od niebieskobiałego przy dużym natężeniu, do żółtobiałego przy małym). Zachowanie stałości koloru ściemnianej LED jest możliwe przy ściemnianiu za pomocą PWM. Prąd płynący przez LED jest niezmienny, a ściemnianie jest skutkiem zmian stosunku czasu jej przewodzenia do czasu zablokowania. (KKP)