Eliminacja migotania światła w oświetleniu LED

Rys. 1. Typowy układ ściemniacza oświetlenia bazującego na triaku oraz przebiegi napięcia i prądu

Wiele użytkowników ceni sobie pracę posiadanych od lat regulatorów oświetlenia wykorzystujących fazową regulację mocy z użyciem triaka, bo jest to prosta i funkcjonalna metoda odpowiadająca ich potrzebom. Takich urządzeń jest w użyciu cały czas bardzo dużo, niemniej w przypadku znakomitej większości żarówek LED dostępnych na rynku te układy nie działają prawidłowo - podczas regulacji żarówka zaczyna migotać, a zmiany jasności są ograniczone i brak im płynności. Dlaczego tak się dzieje, można zrozumieć po przeprowadzeniu analizy działania regulatora w kontekście współpracy z żarówką LED (rys. 1).

Potencjometr R2 zmienia kąt włączenia triaka w taki sposób, że reguluje szybkość ładowania się pojemności C2 z napięcia zasilającego. Gdy napięcie na C2 przekroczy progowe napięcie diaka (20-30 V), triak zostaje załączony. Stan taki trwa do momentu, gdy prąd płynący przez triak nie spadnie poniżej tzw. prądu podtrzymania, czyli w praktyce w czasie przechodzenia sinusoidy napięcia sieci przez zero.

Po chwili proces się powtarza, tym razem dla ujemnych napięć związanych z dolną połówką sinusoidy. Średni prąd płynący przez lampę jest więc funkcją kąta zapłonu triaka (0-180°) i tym samym położenia osi potencjometru R2. Niemniej warto zauważyć, że napięcie maksymalne zasilające lampę nie zmienia się liniowo podczas takiej regulacji. Od 0 do 90° napięcie rośnie, a potem maleje dla kątów 90-180°. Oznacza to, że przy współpracy żarówki, która ma na wejściu prostownik szczytowy, zakres regulacji jasności od razu jest około dwukrotnie mniejszy.

Typowa zwykła żarówka LED zawiera jeden lub kilka łańcuchów szeregowo połączonych LED-ów, których jasność świecenia jest proporcjonalna do natężenia płynącego przez nie prądu. Spadek napięcia na każdej diodzie waha się od 2,8 do 4,2 V, średnio jest to 3,4 V. Diody zasilane są za pomocą konwertera impulsowego, który zamienia napięcie wejściowe na stałą wartość prądu płynącego przez diody.

Rys. 2. Prąd płynący przez triak i napięcie na żarówce LED w klasycznym regulatorze jasności oświetlenia

Aby regulacja jasności za pomocą triaka była możliwa, zasilacz wbudowany w lampę LED musi "umieć" zinterpretować kąt wyzwolenia triaka i zamienić go na wartość prądu zasilającego emitery. Nie jest to proste zadanie, stąd wiele dostępnych rozwiązań ma niestety słabą wydajność, którą widać w migotaniu światła podczas regulacji, niepewności działania zasilacza w żarówce (drżenie światła), a nawet słychać jako szumy akustyczne wydobywające się z żarówek pobudzanych odkształconym napięciem przemiennym. Efekty te w większości wywoływane są przedwczesnym lub fałszywym wyzwoleniem triaka i słabą jakością regulacji prądu przepływającego przez emitery LED. Widać to na rysunku 2, gdzie pokazano oscylacje prądu zasilającego wywołane niepewnym wyzwalaniem.

W momencie wyzwolenia triaka przemienne napięcie sieci niemal natychmiast jest przekazywane na zaciski lampy LED przez filtr LC, który ogranicza emisję zaburzeń EM. Ta szybka zmiana stanu wywołuje oscylacje napięcia i w konsekwencji silne wahania prądu przewodzonego przez triak. Gdy w czasie ich trwania wartość prądu spadnie poniżej prądu podtrzymania, obwód zostaje przerwany, bo triak odzyska własności zaporowe.

Po chwili obwód wyzwalania się naładuje ponownie i dokona ponownego wyzwolenia, ale zaburzenia te przekładają się na strumień świetlny. Takie częste wyzwalanie wywołuje migotanie i brzęczenie rdzeni w filtrach EM zawartych w żarówkach. Ograniczenie tego efektu wymaga minimalizacji wartości indukcyjności i pojemności w układzie. Najgorsza sytuacja jest, gdy kąt wyzwolenia jest bliski 90° (na szczycie sinusoidy), bo wówczas amplituda oscylacji jest największa. Z kolei dla dużych kątów (150-180°), gdy jasność jest minimalna, triak pracuje niestabilnie, przedwcześnie się wyłączając.

Pełna regulacja jasności, w tym na końcu, na niskim poziomie jasności, wymaga, aby triak był zawsze pewnie włączany w tym samym momencie i pozostawał włączony do chwili przejścia sinusoidy przez zero. Prąd podtrzymania triaka w zależności od wersji waha się od 8 do 40 mA.

Nie jest to więc problemem dla żarówek wolframowych, ale wersje LED-owe, które pobierają 10 razy mniej prądu, już mają tutaj problem - triak wyłącza się za wcześnie i regulacja do wartości minimalnych nie jest możliwa. Kolejne problemy pojawiają się, gdy w żarówce LED zastosowano zaawansowany zasilacz z korektorem współczynnika mocy. Takie rozwiązania są wrażliwe na wahania napięcia, oscylacje i wymagają stabilnego zasilania bez impulsowego charakteru.

Są już rozwiązania

Rys. 3. Schemat izolowanego zasilacza do LED o wysokiej wartości PFC i współpracującego z regulatorem na triaku

Producenci sterowników zasilających dla oświetlenia LED znają te problemy i w nowych wersjach proponują rozwiązania, które omijają te niedogodności. Na rysunku 3 pokazano przykładowy schemat ściemnialnego zasilacza do LED o mocy 14 W współpracującego z regulatorem na triaku opracowanego w firmie Power Integrations.

Układ opiera się na sterowniku izolowanej przetwornicy zaporowej z serii LinkSwitch-PH LNK406EG zawierającym wysokonapięciowy MOSFET (725 V) i pracującym w trybie z ciągłym przewodzeniem prądu. Kontroler realizuje jednocześnie aktywną korekcję współczynnika mocy - dzięki temu nie ma kondensatora elektrolitycznego na wejściu o dużej pojemności i zapewnia stały prąd zasilania diod bez konieczności użycia optoizolatora.

Kontroler może pracować w trybie ściemnialnym lub nie. W tym pierwszym przypadku wymagane jest dołączenie rezystora programującego R4 oraz dodanie układu z R2, R3 i C3 pracującego jako monitor napięcia, dostarczający do kontrolera pewnej informacji o zasilaniu, co jest niezbędne do zapewnienia regulacji w szerokim zakresie.

Ciągły tryb pracy przetwornicy zmniejsza straty mocy wynikające z przełączania i poprawia sprawność oraz zapewnia lepsze właściwości EMI (mniejsza wielkość wymaganego filtra sieciowego). Z kolei wysokonapięciowy MOSFET pozwala ograniczyć wielkość zewnętrznych obwodów tłumiących przepięcia powstające na indukcyjności rozproszenia transformatora impulsowego i straty mocy w tych elementach. A im mniejsze reaktancje elementów filtrujących, tym słabsze oscylacje w liniach zasilających wywołane impulsowym charakterem napięcia wyjściowego regulatora oświetlenia z triakiem.

Układ ma też poprawioną stabilność działania, co wynika z obecności wbudowanego w sterownik źródła napięcia odniesienia, a także aktywnego obciążania po to, aby triak nie wyłączał się przedwcześnie. Jakość stabilizacji wartości prądu sięga ±5% a szeroki zakres napięć wyjściowych pozwala na swobodne dobieranie LED bez konieczności ich selekcji pod kątem napięcia przewodzenia. W efekcie układ pracuje stabilnie ze ściemniaczem na triaku, zapewniając regulację jasności w stosunku 1000:1 przy maksymalnej mocy wyjściowej 14 W i sprawności ponad 85%. Współczynnik mocy zasilacza przekracza 0,9.

Migotanie z dużą częstotliwością

Rys. 4. Układ wzmacniacza napięcia błędu z funkcją "current smoother" - wygładzania tętnień w prądzie zasilającym emitery LED

Poza wolnym migotaniem źródeł światła LED ważne jest też to, aby emitowane światło nie zawierało składowych o średniej częstotliwości, rzędu 3-70 Hz. Na skutek braku bezwładności świetlnej emiterów słaba filtracja i stabilizacja chwilowej wartości prądu zasilającego prowadzi do powstania niewidocznego migotania. Niemniej z uwagi na efekty stroboskopowe i zły wpływ na organizm ludzki jest to zjawisko niepożądane i może wywoływać bóle głowy i rozdrażnienie. W wielu miejscach, takich jak szpitale i biura, niewidoczne migotanie jest wręcz zabronione.

Niskie harmoniczne napięcia wyjściowego zasilaczy impulsowych służących do zasilania diod mogą powodować takie efekty, tak samo jak źle pracująca pętla sprzężenia zwrotnego lub praca konwertera w trybie z nieciągłością prądu w indukcyjności. Charakterystyczne dla tej topologii większe tętnienia w prądzie wyjściowym mogą prowadzić do takich interferencji.

Istnieje też sprzeczność pomiędzy szybkością reakcji zasilacza (pasmem pętli) a pracą korektora PFC. Wysoki współczynnik korekcji wymaga raczej, aby pętla sprzężenia zwrotnego była wolna. Aby nie było migotania, powinna być z kolei szybka, po to, aby zasilacz reagował bez zwłoki na zmiany chwilowe warunków obciążenia i zasilania.

Układ ujemnego sprzężenia zwrotnego buduje się zwykle w oparciu o optoizolator i wzmacniacz operacyjny, jak na rysunku 4. Zwiększenie obciążenia wyjścia i związane z nim niższe napięcie wyjściowe wywołuje wzrost wysterowania tranzystora kluczującego i kompensację spadku. Niemniej rozbudowanie wzmacniacza napięcia błędu i użycie dwóch wzmacniaczy umożliwia realizację zasilacza, gdzie pętla sprzężenia zwrotnego pracuje jako obwód wygładzający tętnienia, co pomaga walczyć z migotaniem.

Digi-Key Electronics
www.digikey.pl