Светодиодный светильник для ЖКХ, удовлетворяющий всем нормативам – это слишком дорого, и отечественное жилищное хозяйство не может себе этого позволить? Автор статьи опровергает это заблуждение, приводя пример расчета светильника с питанием на базе ИС DR3062 от производителя Integrated Crystal Technology Incorporated и на высоковольтных светодиодах XTEHVW-Q0-0000-00000LG50 от компании Cree. Итог – комплектующие за 300 рублей, и при этом – световой поток 600 лм!

Любые устройства, в том числе и светодиодные светильники, в зависимости от своего назначения должны отвечать требованиям действующей нормативной документации и быть максимально адаптированными к конкретному применению. Изделие не должно иметь невостребованной избыточности, которая практически всегда ведет к увеличению его стоимости. Известно, что основные параметры светодиодного светильника, такие как электромагнитная совместимость (ЭМС), электробезопасность, пульсации светового потока и эффективность, напрямую зависят от схемотехники используемого источника питания, и поэтому данный компонент в составе светильника требует самого пристального внимания.

В настоящее время первоначальная стоимость светодиодного светильника все еще высока, по сравнению со светильниками на классических источниках света. Важным аспектом практически любой успешной разработки являться снижение общей стоимости изделия при обеспечении требуемых параметров. Стоимость светодиодов неуклонно понижается и в настоящее время уже не является основополагающей в стоимости светильника. Основную долю стоимости светильника составляет стоимость источника питания, и поэтому, снизив стоимость этого компонента, можно существенно улучшить экономические показатели изделия в целом, тем самым усилив его конкурентоспособность.

Из рассмотрения нормативной документации [1, 2, 3] следует, что для светильников с потребляемой активной мощностью менее 25 Вт, применяемых в системе ЖКХ, важно обеспечить коррекцию коэффициента мощности (ККМ) l>0,7. В то же время практически отсутствуют требования к уровню пульсаций светового потока (освещенности). Имеется только одно место, при освещении которого необходимо обеспечить коэффициент пульсаций освещенности, не превышающий 20% - это помещение для консьержей. Во всех остальных местах, таких как лестничные пролеты и площадки, подъезды, лифты и общие коридоры, требования по коэффициенту пульсаций освещенности отсутствуют.

Принимая во внимание все вышеизложенное, для светодиодных светильников небольшой мощности (не более 9 Вт), применяемых в системе ЖКХ, можно смело использовать схему питания, основанную на интегральной микросхеме DR3062 от производителя Integrated Crystal Technology Incorporation (рис. 1). Данная микросхема позволяет построить недорогой источник питания, обеспечивающий ККМ более 0,95.

Рис. 1. Структурная схема DR3062

Высокое значение ККМ достигается тем, что с ростом амплитуды выпрямленного полупериода напряжения сети происходит последовательное подключение цепочек светодиодов (увеличение нагрузки), а с понижением амплитуды - последовательное отключение (снижение нагрузки). Указанный принцип работы наглядно иллюстрирует рисунок 2. Таким образом происходит выравнивание в течение всего полупериода потребляемой из сети мощности и отсутствует сдвиг фаз между приложенным напряжением и потребляемым током, т.е. нагрузка (источник питания) по отношению к первичной сети приобретает активный характер (характеризуется как активное сопротивление).
 

Рис. 2. Графики, иллюстрирующие принцип работы микросхемы

Как видно из рисунка 1, источник питания, выполненный с использованием рассматриваемой микросхемы, имеет гальваническую связь между входом (первичной сетью) и выходом (нагрузкой). В соответствии с документом [4], это не запрещается, но необходимо выполнить некоторые условия по защите от поражения электрическим током в соответствии с классом разрабатываемого устройства.

Типовая схема включения микросхемы при входном напряжении 220 В изображена на рисунке 3.

Рис. 3. Типовая схема включения DR3062

Схема достаточно проста и не содержит каких-либо индуктивных элементов. К микросхеме подключается шесть цепочек светодиодов с общим падением напряжения на цепочке 45...50 В на токе 15...45 мА. Ток через цепочки можно задать изменением напряжения на управляющем выводе 8 (Vref) в диапазоне 10...18 В (стабилитрон ZD1 в схеме) в соответствии с графиком, изображенным на рисунке 4. Причем ток через цепочку, подключенную к выводу 2 (D1), задается в диапазоне 10...25 мА, а через цепочки, подключенные к выводам 3, 4, 5, 6, 7 (D2-D6) в диапазоне 15...45 мА.

Рис. 4. Зависимость тока светодиодов от управляющего напряжения

Расчет необходимого количества светодиодов несложен и определяется входным питающим напряжением и прямым падением напряжения на светодиоде по формуле:

Nобщ = Vrated ґ 1,41 ґ 0,9/Vf, где

Vrated - действующее напряжение питания, В

Vf - прямое падение напряжения на светодиоде, В

Для входного напряжения сети 220 В и светодиодов с прямым падением напряжения 3,1 В в соответствии с формулой потребуется 90 светодиодов, которые нужно соединить в шесть цепочек по 15 штук в каждой.

При расчете количества светодиодов мы исходили из номинального напряжения сети (220 В). Известно, что напряжение в сети имеет допуск ±10%. При увеличении входного напряжения на +10%, с учетом потребляемого светодиодами тока, выделяемая на микросхеме мощность возрастает. Во избежание ее перегрева требуется непосредственная установка и припайка на теплоотводящее основание, в качестве которого может выступать алюминиевая печатная плата. Для этого нижняя поверхность корпуса микросхемы имеет специальную площадку (термопад). Эту особенность необходимо учитывать при разработке печатной платы.

При расчете светового потока светильника, выполненного на данной микросхеме, необходимо принять во внимание коэффициент использования светодиодов. Цепочки светодиодов в этой схеме за полупериод сетевого напряжения последовательно включаются и последовательно выключаются, а это значит, что средний световой поток светильника будет меньше, чем в случае одновременного непрерывного свечения всех цепочек светодиодов. Коэффициент использования можно ориентировочно определить по графикам, приведенным на рисунке 2, рассчитав площадь, ограниченную гистограммами.

В качестве источника света при использовании данной микросхемы очень хорошо подходят высоковольтные светодиоды новой серии XTE HV известного мирового производителя Cree, например - XTEHVW-Q0-0000-00000LG50 (130 лм, 5300...7000К). Светодиоды указанной серии обладают параметрами, оптимально согласованными с параметрами рассматриваемой микросхемы:

• прямое падение напряжения 46В (типовое значение)
• ток биннинга 22мА
• максимальный ток 66мА

Биннинг светодиодов серии XTE HV, как и всех новых серий, осуществляется при повышенной температуре на кристалле 85°С, что позволяет в дальнейших расчетах не учитывать неизбежные потери светового потока, возникающие при нагреве кристалла в рабочем режиме. Данный нюанс выгодно отличает продукцию Cree от остальных производителей (где биннинг осуществляется при 25°С), и позволяет существенно поднять общую эффективность осветительного прибора.

Светодиоды серии XTE HV оптимально использовать на токе 33...45 мА. При этом они обладают достаточно высокой светоотдачей 115...105 лм/Вт соответственно (при температуре на кристалле 85°С), и имеется хороший запас (50...30 %) по предельному режиму работы, что благоприятным образом скажется на сроке их службы.

При использовании в рассматриваемой схеме шести светодиодов XTEHVW-Q0-0000-00000LG50 на установленном амплитудном значении тока 40 мА, применяя программу «LED-калькулятор Cree» (доступ к программе - по адресу: http://www.compel.ru/fordesigners/calculators/) и некоторый математический анализ, можно рассчитать средний световой поток, потребляемую из сети и подводимую к светодиодам мощность. В данном примере средний световой поток получается примерно равным 660 лм, если учесть потери в рассеивателе (примерно 10%) - то возможный световой поток светильника может достигнуть величины 600 лм. Потребляемая мощность из сети и мощность, подводимая к светодиодам, имеют значения 6,2 Вт и 5,4 Вт соответственно. Коэффициент полезного действия в данном случае составит 87%. Более точно эти величины можно определить, если провести соответствующие измерения. Полученная эффективность светильника имеет значение 96 лм/Вт, что является очень высоким показателем.

Стоимость шести используемых в данном примере светодиодов составляет примерно 242 рубля (при объеме от 1 тыс. шт.), а стоимость микросхемы питания и необходимых пассивных элементов не превышает 55...60 рублей.

В итоге стоимость комплектующих (без изготовления печатной платы и корпусных элементов) для светильника, используемого в системе ЖКХ и отвечающего требованиям действующих нормативных документов, будет составлять около 300 рублей. Учитывая, что в полученную стоимость входит и стоимость источников света, это является весьма небольшой суммой для 600 лм-светильника.

Если для этого светильника применить традиционную схему питания с ККМ, то только стоимость одного источника составит примерно такую же сумму.

Источник: http://light.compeljournal.ru Литература: 1. Постановление Правительства РФ от 20 июля 2011 г. № 602 2. ГОСТ Р 51317.3.2-2006 Эмиссия гармонических составляющих тока ТС с потребляемым током в одной фазе не более 16 А. Нормы и методы испытаний. 3. СП 52.13330.2011 Свод правил. Естественное и искусственное освещение. 4. ГОСТ Р МЭК 60598-1-2003 «Светильники. Часть 1. Общие требования и методы испытаний».