Особенности питания светодиодных изделий
Сегодня мы много знаем о применимости устройств на светодиодах в быту – освещение, основанное на них, решает бытовые задачи, помогает празднично оформить интерьеры и экстерьеры, экономит электроэнергию. Тем не менее, большинство людей даже не задумывалось о том, как на уровне технологий организовано питание полупроводниковых изделий, а ведь эта тема довольно интересна. Мы решили восполнить подобный пробел и рассказать читателям о том, с какими технологическими проблемами сталкивались производители на заре эры осветительных полупроводников, а какие задачи по-прежнему не решены до конца.
Светодиодные светильники, LED-ленты, уже привычные лампочки на полупроводниках – все они прочно вошли в нашу жизнь. В самом начале этой своеобразной экспансии, когда светодиоды только начали вытеснять наиболее популярные в тот период компактные люминесцентные (они же – так называемые «энергосберегающие») лампы и традиционные лампочки накаливания, было немало проблем. Первые полупроводниковые модели не могли похвастаться требуемой интенсивностью свечения, а углы рассеивания лучей были недостаточными. На следующем этапе часть проблем была решена, но возникли новые – неестественные, даже раздражающие оттенки света и избыточная яркость, вызывающая дискомфорт. Наконец, начиная с третьего поколения светодиодов, производителям удалось найти желаемый компромисс – и LED-лампочки начали завоевание мира. Тем не менее, для специалистов остались крайне интересными эти своеобразные «детские болезни» светодиодов, ведь именно в них кроется вся суть освещения, построенного на полупроводниках.
Питание светодиодов
Вряд ли для кого-то станет новостью, что большинство светодиодов, особенно те, которые мы используем в быту, работают не от 220 В, а от 12 В, то есть нуждаются в блоке-посреднике, трансформаторе. Кроме того, что низкий вольтаж гораздо безопаснее, огромное значение имеет ещё и сам принцип питания полупроводников. С точки зрения науки светодиод относится к элементам, имеющим токовый принцип генерации света. Это означает, что процесс преобразования приходящего электрического тока в требуемое нам свечение основан на рекомбинации зарядов в области полупроводникового перехода. Будь эффективность преобразования одного вида энергии в другой стопроцентной, яркость свечения диодов стала бы максимальной, а вместе с этим исчезли бы и 90% проблем, связанных с их питанием.
Даже сейчас, когда светодиоды находятся на пике популярности, ещё нередко можно услышать, как их непосредственно сравнивают с наиболее привычными всем лампами накаливания или с люминесцентными моделями. В представлении многих людей вольфрамовые модели почему-то кажутся более эффективными, хотя цифры ясно говорят обратное. Вероятно, дело исключительно в привычке. Проиллюстрируем ситуацию на простом примере: для обеспечения светового потока в 1200 лм необходима лампочка накаливания мощностью 100 Вт, люминесцентная модель на 30 Вт или светодиодная лампа на 12 Вт. Вряд ли нужно объяснять, что каждый час работы LED-изделия экономит 60% или целых 88% энергии. И всё это благоприятно сказывается на счетах за электричество. Но не только количественные характеристики можно приводить в пример. По комфорту для глаз именно светодиоды более рекомендованы человеку – колбы таких изделий матовые, а это означает большее рассеивание света и меньшую нагрузку на органы зрения. Вдобавок, светодиоды ещё и предлагают хороший выбор оттенков – от холодного до тёплого, с различными вариантами яркости для каждой цветовой температуры. Люди, по-прежнему нахваливающие вольфрамовые лампочки, забывают, что их КПД составляет всего 3%, у люминесцентных моделей он уже равен 9%, а вот у светодиодов сегодня не опускается ниже 25%, спокойно порой доходя до 60%.
Тем не менее, будем справедливы: у светодиодов тоже хватает проблем. Основная из них – перегрев, который свойственен любому объекту или изделию, излучающему свет. Но и здесь не без радостных новостей. Если в лампочке накаливания исходная мощность чётко делится на две компоненты: 3% идёт на светоизлучение, а 97% – на выделение тепла, то у LED-изделий столь же чёткого разграничения нет. Одна и та же энергия может одновременно давать свет и увеличивать значение теплового фона. Если взять для примера небольшой светодиодный светильник на 20 Вт, то в нём около 6-8 Вт будет отводиться на светоиспускание, и около 13-15 Вт – на тепло. На первый взгляд, ничего страшного в этом нет, ведь свою функцию изделие успешно реализует, однако силикатные материалы, которые лежат в основе полупроводников, плохо переносят тепло – банально портятся от перегрева. То есть, именно теплоотвод является одной из наиболее значимых проблем современных светодиодов.
Проблему перегрева можно назвать обоюдоневыгодной, если пытаться вместе рассматривать явления и материалы. В кристаллах под воздействием тепла ускоряются диффузионные процессы, что нежелательно, вдобавок при этом сам материал диодов имеет низкий коэффициент теплопроводности, то есть, попросту не «отпускает» от себя тепло. Эксперты говорят, что в правильно созданных температурных условиях, например, в камерах криогенной заморозки со стабильным тепловым режимом, срок службы светодиодов был бы почти неограниченным. Ну а в реальной жизни, когда температуры внутри цоколя лампы начинаются со 100°С, пределом будет 50 тысяч часов – и то только для самых качественных диодов. О временах, когда небольшой светодиодный индикатор на приборе включался просто через ограничивающий резистор, можно уже забыть. Сегодня каждое LED-изделие усиленно балансирует на тончайшей грани высоких температур и высоких токов, необходимых для формирования светового потока.
Трансформация питающих узлов
Первые серийные модели светодиодных ламп имели довольно простую конструкцию преобразовательного блока. Туда были включены конденсатор с ограничением по силе тока и выпрямитель, а вслед за ними подключалась целая вереница диодов. Такой способ коммутации приводил к существенным пульсациям светового потока из-за чего применять их в быту было крайне дискомфортно. Зато в жилищно-коммунальном хозяйстве, особенно за рубежом, новинка прижилась – она помогала существенно экономить на электроэнергии, используясь в тех местах, к которым не было жёстких требований: в освещении подъездов, арок, номерных табличек, прилежащей к жилым домам территории.
Следующее поколение светодиодов, имеющее завышенную мощность потребления – около 50 Вт, а порой и 100 Вт, спровоцировало разработку новых блоков питания. Линейные стабилизаторы справлялись с силой тока до 1 А, а здесь уже требовались значения побольше. Точность выходных параметров таких устройств росла, их номенклатура по мощности успешно расширялась, но вместе с ними увеличивались и тепловые потери электроники, что означало необходимость в использовании радиаторов для своевременного отвода тепла. В тот период выход найти не удалось, поскольку расчётные габариты радиатора превосходили бы размеры лампочек.
Решение отыскали в смежной области – среди импульсных узлов питания. Первые изделия подобного рода являлись прямыми потомками обычной пускорегулирующей аппаратуры для компактных люминесцентных ламп, только адаптированной под нужды светоизлучающих полупроводников. Преимуществ у такого подхода было много: возможность запитывать световой прибор напрямую от сети 220 В, лёгкость в контроле стабилизированного тока и довольно высокий КПД. Но были и недостатки: скачки ампеража на входе, пульсации на выходе, снижающие ресурс диодов, а также неоправданно высокая цена. Со временем все недочёты удалось в значительной мере устранить, и в категории светодиодных устройств появился новый важный узел – LED-драйвер. Драйверы для светильников выпускаются и сегодня. Это уже изделия совершенно другого уровня, но свои функции они полностью сохраняют. По сей день на рынке можно отыскать как интегральные, так и дискретные драйверы. Первые зачастую работают с напряжениями до 100 В, из-за чего подключить их напрямую в сеть не получится, и в схеме всё равно придётся применять трансформаторы. Зато вторые часто выпускаются с максимально широкими диапазонами входного вольтажа (от 42 В до 280 В), что позволяет применять их во многих сложных схемах питания.
Для управления работой многих современных светодиодных лент и светильников применяют уже более сложные устройства – диммеры и контроллеры. Первые необходимы для варьирования параметров тока, влияющих на яркость свечения осветительного прибора, а вторые – для более гибкого управления оттенками свечения. Все RGB-контроллеры в целом построены на тех же принципах, что и более простые драйверы, просто при работе используют больше выходных каналов. Усложнять аппаратурное оформление с их помощью стоит только в тех случаях, когда ставится цель тонко настраивать цветовые гаммы или использовать RGB-ленты для визуального оформления.
В общем случае светодиодные приборы верхнего освещения ещё на этапе ремонта подключаются через миниатюрный трансформатор – особый блок питания, который не только преобразует вольтаж к требуемой величине, но и в значительной мере перенимает на себя тепловые эффекты. К большому сожалению, это не означает, что в таких обстоятельствах вблизи кристаллов светодиодов перестаёт формироваться пагубное тепловое поле. Оно просто снижается на ощутимый процент.
Специалисты в области электроники находят крайне забавным тот факт, что для питания и управления одним небольшим и технически не особо сложным узлом приходится применять гораздо более сложные элементы. При этом звенья, на которых лежит управляющая функция, в свою очередь содержат тысячи других полупроводниковых структур. Именно то, что в каждом светодиодном осветительном изделии столько микроэлектроники, и объясняет высокую цену продукции, хотя как технология производства, так и сырьё сегодня уже сравнительно недороги.
Один из весьма распространённых вопросов о светодиодной технике – в чём различие между драйверами и блоками питания. Недоумение многих потребителей достаточно понятно: в некоторых источниках эти понятия смешивают, в других – чётко разграничивают, в третьих – употребляют в качестве синонимов. На самом деле разобраться в терминологии можно легко, запомнив всего одно правило: блок питания – это устройство, а драйвер – это элемент. В действительности между ними нет никакой пропасти и употреблять их в речи в качестве синонимов вполне допустимо, просто устоявшееся в технике обозначение будет отличаться.
Разъясним сказанное выше более детально. Блоком питания называют часть электрической цепи или электронного устройства, которая отвечает за питание прибора электроэнергией. Блок питания может быть полностью самостоятельным, подключаемым устройством или находиться в корпусе прибора на правах одного из самых крупных узлов. Драйвер применяется для тех же целей – трансформации, стабилизации и преобразования тока, но при этом всегда располагается внутри другого готового устройства, будучи там рядовым элементом, притом небольшого размера.
В рассматриваемом контексте важно упомянуть ещё о нескольких терминах, редко используемых на практике, но значимых для питания светодиодов. Речь идёт об источнике тока и источнике напряжения. Источником тока называют некий источник питания, у которого величина силы тока сохраняется вне зависимости от сопротивления нагрузки, которую к нему подключают. А источник напряжения – это такой модуль, напряжение на выходе которого не меняется при перемене выходного тока. Так вот на практике под блоком питания чаще подразумевают именно источник напряжения, а под драйвером – источник тока. Для светодиодных элементов в разных устройствах приоритет отдаётся той или иной величине, потому и говорят, что ленты подключают через блок питания, но внутрь лампочек устанавливаются драйверы. В любом случае, если вы решите приобрести один из этих модулей, продавцы-консультанты на рынке, менеджеры в интернет-магазине или другие специалисты сразу поймут по контексту, что именно вы ищете, а затем подскажут наилучший вариант для покупки.
