Возрастание роли светодиодного освещения

Светоизлучающие диоды (Light-Emitting Diodes — LED) — быстро развивающаяся технология, которая становится все более важной во многих системах общего освещения, обычно называемая твердотельной (Solid-State Lighting — SSL). Как правило, светодиодное освещение используют внутри помещений (коммерческих, промышленных и жилых) и снаружи (освещение улиц и парковок), а также для архитектурной и декоративной подсветки, где светодиоды начали применять раньше всего из-за их способности излучать во всем цветовом спектре.

Светодиоды уже доказали свою эффективность при использовании в архитектурной подсветке. Сегодня светодиоды завоевывают массовый рынок устройств общего освещения благодаря целому ряду преимуществ:

• Гораздо больший срок службы, чем у других источников света. Светодиоды могут работать 50 000 ч, тогда как ресурс ламп накаливания составляет 1000…2000 ч, а компактных люминесцентных ламп (Compact Fluorescent Light — CFL) — от 5000 до 10 000 ч. Заметно больший срок службы делает светодиоды идеальным выбором для многих коммерческих и промышленных систем освещения, где высоки трудозатраты, связанные с заменой ламп.
• Существенно более высокая энергоэффективность по сравнению с лампами накаливания и галогенными лампами, часто по этому параметру они эквивалентны люминесцентным лампам. Кроме того, КПД светодиодов постоянно повышается; по прогнозам, этот показатель у белых светодиодов в ближайшие три-четыре года вырастет примерно на 50%.
• Малый форм-фактор. Светодиодные лампы можно изготовить в таких форм-факторах, как MR16 и GU10, тогда как компактные люминесцентные лампы — нет.
• Возможность регулировки яркости с помощью специального драйвера. Применение люминесцентных ламп в устройствах, требующих регулировки яркости, имеет технические ограничения. Традиционные конструкции осветительных приборов на базе светодиодов тоже сталкиваются с подобными проблемами. В отличие от них, инновационные драйверы светодиодов компании Maxim совместимы с устройствами регулировки яркости (диммерами), работающими как по нарастающему (симисторные), так и по спадающему фронту.
• Узконаправленный луч света. Светодиоды, в отличие от других технологий освещения, лучше подходят для таких устройств, как прожекторные лампы, которые формируют узконаправленный поток света.
• Возрастание КПД с понижением температуры. КПД люминесцентных ламп при низких температурах падает. Светодиоды, напротив, идеально подходят для устройств, работающих в условиях низких температур, например в качестве осветительной лампы в холодильнике.
• Возможность легко изменять цвет излучения. Благодаря этому RGB- светодиоды идеально подходят для использования в архитектурной и декоративной подсветке, где цвет излучения должен меняться в режиме реального времени.

Итак, светодиоды имеют множество преимуществ перед лампами накаливания, галогенными и люминесцентными лампами. Разработчики постепенно находят новые сферы применения светодиодных осветительных устройств, но их обсуждение заняло бы слишком много времени. В данном обзоре мы остановимся только на двух областях применения, но достаточно подробно — это светодиодные ретрофитные лампы и светодиодные системы освещения с дистанционным управлением.

Светодиодные ретрофитные лампы предназначены для замены ламп накаливания, галогенных или люминесцентных ламп с тем же патроном. Такие светоди- одные лампы должны иметь те же форм- факторы и быть совместимыми с существующей инфраструктурой.

Светодиоды для систем освещения с дистанционным управлением позволяют более гибко регулировать яркость свече- ния и цвет. Светодиодные лампы по своей сути являются цифровыми системами, благодаря чему в них легко встраиваются коммуникационные функции для автоматизации систем освещения. Использование дистанционного управления с помощью беспроводной связи или передачи данных по линиям электросети (PowerLine Communication — PLC) позволяет уменьшить энергопотребление, снизить эксплуатационные затраты и затраты на обслуживание, а также способствует появлению новых областей применения светодиодов.

Светодиодные ретрофитные лампы

Мало кто станет оспаривать тот факт, что рынок светодиодных ретрофитных ламп сегодня является самой быстрорастущей областью применения светодиодных осветительных устройств. Причина столь быстрого роста на самом деле довольно очевидна: для этих ламп не нужна новая электрическая инфраструктура (т.е. проводка, трансформаторы, регуляторы яркости и патроны), что обеспечивает серьезные преимущества светодиодной технологии.

Чтобы встроить светодиодные лампы в существующую инфраструктуру, разработчикам необходимо решить две принципиальные проблемы:

1. Форм-фактор. Ретрофитные лампы должны соответствовать форм- фактору заменяемого ими источника света.
2. Электрическая совместимость. Ретрофитные лампы должны работать в существующей электрической инфраструктуре корректно и без мерцания.

Соответствие существующему форм-фактору

Существующий форм-фактор накладывает на конструкцию ретрофитной лампы как физические (плата драйвера должна быть достаточно компактной), так и тепловые ограничения. Подобные ограничения сами по себе представляют проблему при разработке ретрофитных ламп (например, форм-фактора PAR, R или A), которую особенно трудно решить для малых форм-факторов, таких как MR16 и GU10. Поэтому для приложений MR16 компания Maxim предлагает ИС драйвера MAX16840 с встроенным силовым MOSFET-ключом.

Размеры ретрофитных ламп важны, но часто более критичными являются тепловые ограничения. Светодиоды излучают только видимый свет, ИК-излучение (как в других источниках света) у них отсутствует. Таким образом, несмотря на более высокую энергоэффективность по сравнению с лампами накаливания или галогенными лампами, светодиоды рассеивают гораздо больше тепла за счет теплопроводности лампы.

Рассеяние тепла является также основным фактором, ограничивающим светоизлучающую способность лампы. Современные светодиодные технологии едва ли в состоянии обеспечить ретрофитным лампам приемлемый для массового рынка уровень яркости. Для разработки коммерчески успешной продукции необходимо преодолеть ограничения по яркости и, следовательно, по тепловыделению.

С проблемой рассеяния выделяющегося тепла логически связан вопрос срока службы драйверной платы. Чтобы излучать больше света, лампа должна работать при довольно высоких температурах (от +80 до +100°C). При таких температурах ресурс драйверной платы может ограничить срок службы всей лампы. Самой большой проблемой являются электролитические конденсаторы, так как они первыми отказывают в условиях высоких температур.

Драйверы компании Maxim для 120/230 В переменного тока и 12 В переменного тока позволяют отказаться от электролитических конденсаторов в тех случаях, когда допустимы более высокие значения пульсаций тока светодиода. Если все же заказчик решит использовать электролитические конденсаторы, то драйверы Maxim обеспечат отказоустойчивость: при высыхании электролитического конденсатора пульсации тока светодиода увеличатся, но лампа не выйдет из строя.

Согласование с электрической инфраструктурой

Ретрофитные светодиодные лампы должны корректно работать в инфраструктурах, в которых используются диммеры с фазовым управлением (симисторные или с регулировкой по спадающему фронту) и электронные трансформаторы.

При работе от переменного напряжения 120/230 В между лампой и сетью может быть установлен симисторный диммер. Такие диммеры предназначены для работы с лампами накаливания или с галогенными лампами, которые представляют собой чисто резистивную нагрузку. В случае светодиодной ретрофитной лампы драйвер светодиода, вообще говоря, не является чисто резистивной нагрузкой и к тому же отличается весьма нелинейной характеристикой; через установленный на входе мостовой выпрямитель проходят кратковременные, мощные броски тока в моменты, когда входное напряжение переменного тока достигает максимального положительного или отрицательного значения. Такое поведение драйвера светодиода мешает корректной работе симисторного диммера, поскольку не обеспечивается ни требуемый стартовый ток, ни ток удержания. В результате диммер либо неправильно включается, либо отключается в процессе работы, а светодиодная лампа из-за этого мерцает.

Для ламп, рассчитанных на переменное напряжение 12 В, ситуация еще более сложная, так как лампа может подключаться к сети через электронный трансформатор и диммер с регулировкой по спадающему фронту. К тому же, 12-В лампа с драйвером, использующим традиционный мостовой выпрямитель и DC/DC- преобразователь, мерцает из-за несовместимости с трансформатором и диммером.

В решениях компании Maxim для светодиодных ламп, рассчитанных на входное напряжение переменного тока 120/230 В или 12 В, используется однокаскадное преобразование. Эти решения совместимы с симисторными диммерами и диммерами с регулировкой по спадающему фронту, а также с электронными трансформаторами благодаря специальной схеме формирования входного тока, поэтому свет не мерцает даже при использовании диммера с регулировкой по спадающему фронту. Ни одно другое решение для ламп MR16 не обеспечивает такой возможности; подобную возможность предлагают лишь некоторые ре- шения для ламп PAR, R или A. Кроме того, решения компании Maxim обеспечива- ют коэффициент коррекции мощности выше 0.9 и требуют небольшое количество внешних компонентов. В решении для 120/230 В переменного тока используется ИС MAX16841, а в 12-В решении — ИС MAX16840. Оба компонента доступны как для оценки, так и для использования в серийной продукции.