Особливості живлення світлодіодних виробів
Сьогодні ми багато знаємо про можливість застосування пристроїв на світлодіодах у побуті – освітлення, засноване на них, вирішує побутові завдання, допомагає святково оформити інтер'єри та екстер'єри, економить електроенергію. Проте, більшість людей навіть не замислювалася про те, як на рівні технологій організовано живлення напівпровідникових виробів, а насправді ця тема досить цікава. Ми вирішили заповнити подібний пробіл та розповісти читачам про те, з якими технологічними проблемами стикалися виробники на зорі ери освітлювальних напівпровідників, а які завдання як і раніше не вирішені до кінця.
Світлодіодні світильники, LED-стрічки, вже звичні лампочки на напівпровідниках – усі вони міцно увійшли до нашого життя. На самому початку цієї своєрідної експансії, коли світлодіоди тільки почали витісняти найбільш популярні у той період компактні люмінесцентні (вони ж – так звані «енергозберігаючі») лампи та традиційні лампочки розжарювання, було чимало проблем. Перші напівпровідникові моделі не могли похвалитися необхідною інтенсивністю світіння, а кути розсіювання променів були недостатніми. На наступному етапі частина проблем була вирішена, але виникли нові – неприродні, навіть дратівливі відтінки світла та надлишкова яскравість, яка викликає дискомфорт. Нарешті, починаючи з третього покоління світлодіодів, виробникам вдалося знайти бажаний компроміс – й LED-лампочки почали завоювання світу. Тим не менш,для фахівців залишилися вкрай цікавими ці своєрідні «дитячі хвороби» світлодіодів, адже саме у них криється уся сутність освітлення, побудованого на напівпровідниках.
Живлення світлодіодів
Навряд чи для когось стане новиною, що більшість світлодіодів, особливо ті, які ми використовуємо у побуті, працюють не від 220 В, а від 12 В, тобто потребують блоку-посередника, трансформатора. Окрім того, що низький вольтаж набагато безпечніший, величезне значення має ще й сам принцип живлення напівпровідників. З точки зору науки світлодіод відноситься до елементів, які мають струмовий принцип генерації світла. Це означає, що процес перетворення електричного струму, що приходить, на потрібне нам світіння заснований на рекомбінації зарядів у області напівпровідникового переходу. Будь ефективність перетворення одного виду енергії на інший стовідсотковою, яскравість світіння діодів стала б максимальною, а разом з цим зникли б і 90% проблем, пов'язаних з їхнім живленням.
Навіть зараз, коли світлодіоди знаходяться на піку популярності, ще нерідко можна почути, як їх безпосередньо порівнюють з найбільш звичними усім лампами розжарювання або з люмінесцентними моделями. В уявленні багатьох людей вольфрамові моделі чомусь здаються більш ефективними, хоча цифри ясно говорять зворотне. Ймовірно, справа виключно у звичці. Проілюструємо ситуацію на простому прикладі: для забезпечення світлового потоку у 1200 лм необхідна лампочка розжарювання потужністю 100 Вт, люмінесцентна модель на 30 Вт або світлодіодна лампа на 12 Вт. Навряд чи потрібно пояснювати, що кожну годину роботи LED-вироби економлять 60% або цілих 88% енергії. Й усе це сприятливо позначається на рахунках за електрику. Але не тільки кількісні характеристики можна наводити у якості прикладу. За комфортом для очей саме світлодіоди більш рекомендовані людині – колби таких виробів матові, а це означає більше розсіювання світла та менше навантаження на органи зору. До того ж, світлодіоди ще й пропонують гарний вибір відтінків – від холодного до теплого, з різними варіантами яскравості для кожної колірної температури. Люди, які як і раніше нахвалюють вольфрамові лампочки, забувають, що їхній ККД становить усього 3%, в люмінесцентних моделей він уже дорівнює 9%, а ось у світлодіодів сьогодні не опускається нижче за 25%, часом спокійно доходячи до 60%.
Проте, будемо справедливі: у світлодіодів теж вистачає проблем. Основна з них – перегрів, який властивий будь-якому об'єкту або виробу, що випромінює світло. Але й тут не без радісних новин. Якщо у лампочці розжарювання вихідна потужність чітко ділиться на дві компоненти: 3% йде на світловипромінювання, а 97% – на виділення тепла, то у LED-виробів настільки ж чіткого розмежування немає. Одна й та сама енергія може одночасно давати світло та збільшувати значення теплового фону. Якщо узяти для прикладу невеликий світлодіодний світильник на 20 Вт, то у ньому близько 6-8 Вт приділятиметься на випромінення світла, й близько 13-15 Вт – на тепло. На перший погляд, нічого страшного у цьому немає, адже свою функцію виріб успішно реалізує, однак силікатні матеріали, які лежать у основі напівпровідників, погано переносять тепло – банально псуються від перегріву. Тобто,саме тепловідвід є однією з найбільш значущих проблем сучасних світлодіодів.
Проблему перегріву можна назвати взаємоневигідною, якщо намагатися разом розглядати явища та матеріали. У кристалах під впливом тепла прискорюються дифузійні процеси, що небажано, до того ж при цьому сам матеріал діодів має низький коефіцієнт теплопровідності, тобто, просто не «відпускає» від себе тепло. Експерти кажуть, що за правильно створених температурних умов, наприклад, у камерах кріогенної заморозки зі стабільним тепловим режимом, термін служби світлодіодів був би майже необмеженим. Ну а у реальному житті, коли температури всередині цоколя лампи починаються з 100°С, межею буде 50 тисяч годин – та й то тільки для найякісніших діодів. Про часи, коли невеликий світлодіодний індикатор на приладі вмикався просто через обмежувальний резистор, можна вже забути.Сьогодні кожен LED-виріб посилено балансує на найтоншій межі високих температур та високих струмів, необхідних для формування світлового потоку.
Трансформація живлячих вузлів
Перші серійні моделі світлодіодних ламп мали досить просту конструкцію перетворювального блоку. Туди були включені конденсатор з обмеженням за силою струму та випрямляч, а слідом за ними підключалася ціла низка діодів. Такий спосіб комутації призводив до суттєвих пульсацій світлового потоку через що застосовувати їх у побуті було вкрай дискомфортно. Зате у житлово-комунальному господарстві, особливо за кордоном, новинка прижилася – вона допомагала істотно економити на електроенергії, використовуючись у тих місцях, до яких не було жорстких вимог: у освітленні під'їздів, арок, номерних табличок, прилеглої до житлових будинків території.
Наступне покоління світлодіодів, яке має завищену потужність споживання – близько 50 Вт, а часом і 100 Вт, спровокувало розробку нових блоків живлення. Лінійні стабілізатори могли впоратися з силою струму до 1 А, а тут вже були потрібні більші значення. Точність вихідних параметрів таких пристроїв зростала, їхня номенклатура за потужністю успішно розширювалася, але разом з ними збільшувалися й теплові втрати електроніки, що означало необхідність у використанні радіаторів для своєчасного відведення тепла. У той період вихід знайти не вдалося, оскільки розрахункові габарити радіатора перевершували б розміри лампочок.
Рішення відшукали у суміжній області – серед імпульсних вузлів живлення. Перші вироби подібного роду були прямими нащадками звичайної пускорегулювальної апаратури для компактних люмінесцентних ламп, тільки адаптованої під потреби світловипромінюючих напівпровідників. Переваг у такого підходу було багато: можливість живити світловий прилад безпосередньо від мережі 220 В, легкість у контролі стабілізованого струму та досить високий ККД. Але були й недоліки: скачки амперажу на вході, пульсації на виході, які знижують ресурс діодів, а також невиправдано висока ціна. Згодом усі недоліки вдалося значною мірою усунути, й у категорії світлодіодних пристроїв з'явився новий важливий вузол – LED-драйвер. Драйвери для світильників випускаються і сьогодні. Це вже вироби абсолютно іншого рівня, але свої функції вони повністю зберігають. До цього дня на ринку можна відшукати як інтегральні, так і дискретні драйвери. Перші найчастіше працюють з напругою до 100 В, через що підключити їх безпосередньо до мережі не вийде, й у схемі усе одно доведеться застосовувати трансформатори. Зате другі часто випускаються з максимально широкими діапазонами вхідного вольтажу (від 42 В до 280 В), що дозволяє застосовувати їх у багатьох складних схемах живлення.
Для управління роботою багатьох сучасних світлодіодних стрічок та світильників застосовують вже більше складні пристрої – димери та контролери. Перші необхідні для варіювання параметрів струму, що впливають на яскравість світіння освітлювального приладу, а другі – для більш гнучкого управління відтінками світіння. Усе RGB-контролери у цілому побудовані на тих самих принципах, що й більш прості драйвери, просто при роботі використовують більше вихідних каналів. Ускладнювати апаратурне оформлення з їхньою допомогою варто тільки у тих випадках, коли ставиться мета точно налаштовувати кольорові гами або використовувати RGB-стрічки для візуального оформлення.
У загальному випадку світлодіодні прилади верхнього освітлення ще на етапі ремонту підключаються через мініатюрний трансформатор – особливий блок живлення, який не тільки перетворює вольтаж до необхідної величини, але й у значній мірі переймає на себе теплові ефекти. На превеликий жаль, це не означає, що у таких обставинах поблизу кристалів світлодіодів перестає формуватися згубне теплове поле. Воно просто знижується на відчутний відсоток.
Фахівці у галузі електроніки знаходять вкрай кумедним той факт, що для живлення та управління одним невеликим та технічно не особливо складним вузлом доводиться застосовувати набагато більш складні елементи. При цьому ланки, на яких лежить керуюча функція, у свою чергу містять тисячі інших напівпровідникових структур. Саме те, що у кожному світлодіодному освітлювальному виробі стільки мікроелектроніки, й пояснює високу ціну продукції, хоча як технологія виробництва, так і сировина сьогодні вже порівняно недорогі.
Одне з вельми поширених запитань про світлодіодну техніку – у чому відмінність між драйверами та блоками живлення. Здивування багатьох споживачів досить зрозуміло: у деяких джерелах ці поняття змішують, у інших – чітко розмежовують, у-третіх – вживають як синоніми. Насправді розібратися у термінології можна легко, запам'ятавши усього лише одне правило: блок живлення – це пристрій, а драйвер – це елемент. Насправді між ними немає жодної прірви й вживати їх у мові у якості синонімів цілком припустимо, просто усталене у техніці позначення буде відрізнятися.
Роз'яснимо сказане вище більш детально. Блоком живлення називають частину електричного кола або електронного пристрою, яка відповідає за живлення приладу електроенергією. Блок живлення може бути повністю самостійним, підключуваним пристроєм або перебувати у корпусі приладу на правах одного з найбільших вузлів. Драйвер застосовується для тих самих цілей – трансформації, стабілізації та перетворення струму, але при цьому завжди розташовується усередині іншого готового пристрою, будучи там рядовим елементом, до того ж, невеликого розміру.
У даному контексті важливо згадати ще про декілька термінів, які рідко використовуються на практиці, але мають значення для живлення світлодіодів. Мова йде про джерело струму та джерело напруги. Джерелом струму називають певне джерело живлення, у якого величина сили струму зберігається незалежно від опору навантаження, яке до нього підключають. А джерело напруги – це такий модуль, напруга на виході якого не змінюється при зміні вихідного струму. Так ось на практиці під блоком живлення частіше мають на увазі саме джерело напруги, а під драйвером – джерело струму. Для світлодіодних елементів у різних пристроях пріоритет віддається тій чи іншій величині, тому й говорять, що стрічки підключають через блок живлення, але всередину лампочок встановлюються драйвери. У будь-якому випадку, якщо ви вирішите придбати один з цих модулів,продавці-консультанти на ринку, менеджери у інтернет-магазині або інші фахівці відразу зрозуміють за контекстом, що саме ви шукаєте, а потім підкажуть найкращий варіант для покупки.
