Светодиод представляет собой светоизлучающее полупроводниковое устройство с диодоподобными характеристиками. Когда прямой ток протекает через P-N-переход полупроводникового материала, фотоны высвобождаются в результате движения электронов через P-N-переход и рекомбинации с «дырками» в слое P типа. В зависимости от частоты фотона он может быть невидимым для человеческого глаза (инфракрасная часть) или быть частью видимого спектра. Последние разработки светодиодных технологий заключаются в покрытии синего светодиода люминофором для создания белого светодиода. 
Кривая V-I светодиодов похожа на диодную. См. рисунок 1.1


        Рисунок 1.1: Характеристики V и I 

Белые светодиоды обычно используются для освещения, яркость устройства с такими светодиодами увеличивается пропорционально увеличению тока прямой проводимости. Из-за растущего спроса на высокомощные белые светодиодные лампы с высокой яркостью производится стандартизация спецификаций. Прямое напряжение обычно находится в диапазоне 3,0...3,5 В с прямым током 350/700/1050 мА и номинальной мощностью 1/2/3 Вт.

Преимущества светодиодов заключаются в низком тепловыделении, разнообразии применений, миниатюризации, высокой устойчивости к ударам/вибрации и способности фокусировать световой луч. Использование белого светодиода в светотехнической промышленности учащается благодаря постоянному улучшению светового потока и эффективности. Типичные области применения: архитектура зданий (настенное освещение, декоративное освещение, освещение сада, точечное освещение, освещение на лестнице и освещение патио), наружное использование (уличный свет, парковое освещение и фонарные столбы), коммерческое использование (офисное освещение, вывески, витрины) и бытовое использование (освещение комнат, шкафов, настольные лампы и т.д.).
 

Поскольку светодиод относится к семейству полупроводниковых приборов, при правильной конструкции он имеет отличные показатели срока службы и надежности. Срок службы светодиодов обычно составляет от 50000 до 100000 часов. Это значительно превышает срок службы традиционных осветительных устройств (1000-10000 часов). Особое внимание следует уделить охлаждению светодиода и дизайну LED драйвера, иначе могут возникнуть проблемы, связанные с преждевременным выходом из строя и снижением яркости (см. Рисунок 1.2). Выбор подходящего источника питания/метода управления и надлежащее охлаждение светодиодов обеспечат сбережение энергии, высокую эффективность и долгий срок службы.


        Рисунок 1.2: Температура перехода светодиода и срок службы
 

Основным фактором для управления светодиодами является введение прямого тока. Однако из-за их нелинейных V-I характеристик, высокой производственной погрешности Vf и чувствительности Vf к изменению температуры, наиболее распространенные типы используемых источников напряжения ограничены постоянным напряжением или постоянным током. Недостаток использования источника с постоянным напряжением состоит в том, что с ним светодиоды не будут иметь одинаковую яркость, что приведет к неравномерной надежности, снижению яркости и срока службы. По этим причинам источники постоянного тока являются более предпочтительными, когда речь идет об использовании мощных светодиодов. Источник постоянного тока не подвержен изменениям прямого напряжения. Его ток будет оставаться на постоянном уровне независимо от смещения Vf светодиода, таким образом обеспечивая постоянную яркость. Постоянный ток также может быть достигнут использованием схемотехники драйвера с резистивной чувствительной к току сетью, таким образом не требуется подстройка напряжения источников питания.
 

Большинство традиционных импульсных источников питания обеспечивают постоянное напряжение (C.V.). Например, модель MEAN WELL с одним выходом RS-25-5 может обеспечивать 5 В / 0~5 А для питания всех видов нагрузки. Его выходное напряжение поддерживается на постоянном уровне 5 В, в то время как его выходной ток изменяется от 0 до 5 А в зависимости от состояния нагрузки. Когда нагрузка превышает 5 А, что является номинальным током, блок питания переходит в режим «защиты от перегрузки» (вообще говоря, встроенный диапазон защиты от перегрузки составляет 105-150% от номинальной выходной мощности). Существует много различных типов защиты, которые часто встречаются в конструкции источников питания MEAN WELL, такие как «shutdown type» – отключение (блок питания будет отключен на выходе), «hiccup type» – кратковременное отключение (выходное напряжение/ток будет импульсным) и «C.C. type» – постоянный ток (выходной ток) будет установлен на постоянное значение между 105-150% от номинального выходного тока и выходное напряжение будет понижаться до нижнего уровня). Когда защита от перегрузки активирована, источник питания находится в «ненормальном» состоянии, в такой ситуации блок питания не может работать непрерывно. Серии LPV, LPH-18 и LPL-18, оснащенные защитой от перегрузки «hiccup type» считаются «источниками постоянного напряжения». Для применений, связанных со светодиодным освещением, может быть использована система со встроенной ИС LED драйвера с постоянным током (рис. 1.5) или серия, соединенная с балластным резистором (рис. 1.4).





Так называемый LED драйвер «с постоянным током» (C.C.) в основном относится к концепции «защиты постоянного тока», его выходной ток поддерживается на фиксированном значении (этот фиксированный уровень тока будет близок к номинальному выходному току). Единственное отличие: в режиме работы с постоянным током (C.C.) (или в режиме защиты постоянного тока), LED драйвер по-прежнему находится в пределах нормального рабочего диапазона, и все его компоненты выбраны для постоянного обеспечения постоянного выходного тока. Вообще говоря, блок питания будет работать в режиме постоянного тока только в том случае, если «светодиоды будут управляться источником питания напрямую» (рис. 1.3).




                  Рисунок  1.6: Типичная кривая LED драйвера I-V


Рис. 1.6 представляет собой кривую характеристик I-V типичного LED драйвера с постоянным током. «Область постоянного тока» для каждой серии LED драйверов с C.C. может отличаться из-за разного дизайна схем. Как показано на рисунке выше, блок питания будет работать в области постоянного тока, только если выходное напряжение поддерживается на уровне 50% от номинального выходного напряжения или выше, поэтому сумма VF всех последовательно соединенных светодиодов должна быть выше этой границы. Если сумма VF всех последовательно соединенных светодиодов не может достигнуть 50% номинального выходного напряжения, источник питания переходит в «зону сбоя» и не может правильно управлять светодиодами. В настоящее время большинство LED драйверов MEAN WELL могут обеспечивать постоянный выходной ток, а подходящая рабочая область для прямосоединенных светодиодов указана в их спецификациях (в столбце «Constant current range»). Область постоянного тока может составлять 3 В ~ 100% V_O, 9 В ~ 100% V_O, or или 70% ~ 100% V_O в различных сериях из-за разницы в схемотехнике (что касается соответствия «Harmonic Class C», нижний предел может достигать 75% номинального выходного напряжения для некоторых моделей с функцией PFC). При использовании источника питания для непосредственного управления светодиодами, разработчик осветительного прибора должен убедиться, что сумма VF светодиодов, включенных последовательно, достаточно высока для работы с C.C. LED драйвером в правильной области.
 
Источники питания MEAN WELL с постоянным током также обладают функцией «C.V. + C.C.». Это означает, что до достижения «области постоянного тока» они могут работать в «области постоянного напряжения» так же, как традиционные источники питания. В этой области конструкция системы должна включать подходящую «ИС LED драйвера» или «серию, соединенную с балластным резистором»; после входа в «область постоянного тока» блок питания может обеспечивать постоянный ток в качестве выхода и, следовательно, может напрямую управлять светодиодами. Характеристика «C.V. + C.C.» может использоваться во многих различных LED установках и делать дизайн системы более гибким.



Ниже приведена сравнительная таблица трех различных вариантов управления LED:

Наиболее часто встречающаяся настройка светодиодных ламп – это последовательная конфигурация, поскольку она обеспечивает равную яркость для каждого из светодиодов. Даже если лампа состоит из одних и тех же светодиодных компонентов из одной и той же партии, все равно будут небольшие различия в прямом напряжении. По мере увеличения рабочей температуры прямое напряжение светодиода должно уменьшаться, что приводит к увеличению прямого тока. Вот почему необходимо добавить схему ограничения тока в настройки LED. Наиболее распространенные структуры показаны ниже： 

• Светодиоды, непосредственно управляемые источником питания - Рисунок 1.7 Такой способ наиболее экономичен, а подключение наиболее простое. Разработчику остается только позаботиться о характеристиках светодиодов. После этого, все, что нужно сделать разработчику, это выбрать стабильный источник питания с постоянным ограничением тока. Однако могут быть проблемы с равным распределением тока между каждой из светодиодных гирлянд. Матричная светодиодная структура может быть использована для минимизации значительного ущерба от отказа всего нескольких светодиодов. Если для управления светодиодами используется источник питания постоянного тока MEAN WELL, прямое подключение возможно, и резисторы, ограничивающие ток, и ИС LED драйвера не требуются для баланса тока, протекающего к каждой гирлянде светодиодов. Тем не менее, светодиоды должны быть ранжированы, чтобы минимизировать большие различия в (рис. 1.7) VF каждой из светодиодных гирлянд, что может привести к дисбалансу тока, протекающего к некоторым гирляндам, и вызвать повреждение части светодиодной структуры из-за высокого тока.
  
                     
                 Рисунок 1.7 Источник питания с C.C. питает светодиод напрямую
  
  
• Последовательное подключение светодиодного резистора ограничения тока, см. Рисунок 1.8   Преимущество этого способа в том, что он недорогой и довольно простой в сборке. Баланс выходного тока лучше по сравнению с методом прямого привода. Недостатками являются высокая рассеиваемая мощность резисторов, изменение прямого тока (IF) с изменением напряжения, яркость светодиодов может быть неравномерной, не может точно контролироваться ток и защита для светодиодов отсутствует.
  
  
                         
        Рисунок 1.8: Источник питания с постоянным током или постоянным напряжением с резистором LED драйвера
  
  Пример:
  Использование CLG-150-30 (30 В/5 А) для питания 8 светодиодов последовательно и 8-ми гирлянд в параллели
   
     V    : номинальное выходное напряжение LED драйвера
     V_F  : прямое напряжение (около 3,5 В)
      I_F:  : прямой ток (около 625 мА)
  
  
  
• Блок питания в сочетании с ИС линейного драйвера, см. Рисунок 1.9
  Стоимость такого способа умеренная. Другими преимуществами являются длительный срок службы как для светодиодов, так и для блока питания, простота конструкции схемы. Недостатки – более высокая стоимость по сравнению с использованием резистора с таким же рассеиванием мощности, не подходит для использования с источником напряжения с высокой толерантностью.  
  Линейный драйвер с C.C. не может автоматически регулировать подачу тока на светодиод. Он не уравновешивает ток, также как и драйвер с постоянным током и ШИМ. Основная структура ИС состоит из резистора + электронного переключателя. Ток LED драйвера регулируется посредством контроля уровня проводимости выключателя.
  
  
    
  Рисунок 1.9: Источник питания с C.C. или C.V. с линейным LED драйвером
  
  
• Блок питания в сочетании с ИС драйвера с постоянным током и ШИМ, см. Рисунок 1.10 Такая структура является основным методом питания, предпочитаемым большинством производителей светодиодного освещения. Основными причинами являются стабильность контроля тока и даже распределения тока, длительный срок службы как для светодиодов, так и для блока питания. К недостаткам относятся более высокая стоимость по сравнению с другими методами, сложность подключения, ШИМ может вызывать электромагнитные помехи и создавать высокочастотный аудиошум.
  Драйвер с постоянным током и ШИМ будет автоматически регулировать ток, чтобы достичь баланса в токе для каждой светодиодной гирлянды, таким образом гарантируя одинаковую яркость. Основные топологии: «buck» (понижение), «boost» (повышение) и «buck-boost» (комбинированная конфигурация). Ширина или частота импульса модулируется для поддержания постоянного тока.
  
     
  Рисунок 1.10: Источник питания с C.C. или C.V. и LED драйвером с C.C. и ШИМ

• В соответствии с шагом 1, показанным на рисунке 2.1, подключите светодиодные светильники к выходному кабелю LED драйвера MEAN WELL.
• В соответствии с шагом 2, показанным на рисунке 2.1, подключите входной кабель LED драйвера MEAN WELL к сети AC.
  
  ! ВНИМАНИЕ: Шаг 1 всегда должен предшествовать шагу 2. Если шаг 2 будет первым, то высокий переходный импульсный ток попадет в LED светильники и может повредить светодиоды в светодиодных светильниках без ИС LED драйвера.
  
  
  
   Рис.2.1: Сборка LED драйвера
  
  
     

Все LED драйверы MEAN WELL имеют функции защиты от пускового броска входного тока, пикового входного напряжения, короткого замыкания на выходе, перегрузки (OLP) на выходе и перенапряжения (OVP) на выходе. Некоторые модели также оснащены защитой от перегрева (OTP). Пожалуйста, обратитесь к техническому руководству MEAN WELL по импульсным источникам питания для получения более подробной информации.
 

Типы и уровни выходной нагрузки оказывают существенное влияние на эффективность источника питания при работе в нормальных условиях. На приведенной ниже диаграмме представлено изменение эффективности блока питания HLG-150-36, работающего при 70-100% нагрузки LED и 70-100% общей нагрузки, и показано, что эффективность будет ниже, когда общее Vf (прямое напряжение) светодиодов в последовательном подключении ниже, когда светодиоды питаются напрямую от LED драйвера. Поэтому лучше всего устанавливать общее значение Vf последовательных светодиодов на уровне 85-95% от номинального напряжения источника питания.



 

Влияние различных типов нагрузки на коэффициент мощности (PF) и гармонический ток показано в таблице ниже. Коэффициент мощности LED драйвера MEAN WELL, работающего при LED нагрузке, будет ниже, чем при общей нагрузке, и общий уровень Vf светодиодов в серии также будет влиять на коэффициент мощности. Таким образом, лучше установить значение Vf в светодиодных светильниках близко к номинальному выходному напряжению источника питания.

Светодиодные источники питания MEAN WELL, оснащенные функцией коррекции коэффициента мощности, в основном используют два вида топологий схемы, представленных ниже. Сравнение топологий схем с функцией PFC и без нее показано в таблице ниже.



                                         Рис.2.2: Структурная схема топологии схемы без PFC


                                      Рис.2.3: Структурная схема топологии схемы с одноступенчатым PFC


                                 Рис.2.4: Структурная схема топологии схемы с двухступенчатым PFC

Светодиод на самом деле не обладает высокой световой эффективностью. Только 30% подаваемой мощности преобразуется в видимый свет; оставшиеся 70% теряются в виде тепла. В связи с этим, тепловой расчет играет чрезвычайно важную роль в применении светодиодов. В соответствии с температурными характеристиками светодиода, световой поток будет уменьшаться на 3%, а надежность будет уменьшаться на 10% при каждом увеличении температуры на 5 ℃ на светодиодах. Поэтому повышение температуры светодиодов является основным фактором, влияющим на срок службы и потери света.

• Все LED драйверы MEAN WELL имеют тепловую конструкцию со свободной конвекцией воздуха. Максимальная рабочая температура может достигать 50-70 ℃. Кроме того, металлический корпус серии CLG способен отводить тепло через корпус системы, в которой установлена серия CLG, с целью повышения ее надежности.
• Срок службы LED драйверов сильно зависит от рабочей температуры. В качестве примера возьмем HLG-150: при работе с одним и тем же уровнем нагрузки – чем ниже рабочая температура, тем дольше срок службы; при работе с одной и той же рабочей температурой – чем меньше нагрузка, тем дольше срок службы. При выборе источника питания рекомендуется добавить запас к фактическому потреблению энергии, чтобы соответствовать характеристикам LED с более длительным сроком службы. Соотношение показано на рис.2.5.
  
  
  Рис.2.5: Соотношение выходной нагрузки, рабочей температуры и срока службы LED драйвера
• Чтобы избежать высокого повышения температуры и обеспечить надежность источника питания, номинальную мощность необходимо снизить, когда температура окружающей среды превышает 60 ℃ для работы при 230 В AC (см. рис.2.6 – кривая снижения выходной нагрузки для HLG-150). В связи с вышесказанным, рабочая температура должна быть принята во внимание при проектировании системы.
  Рис.2.6: Кривая снижения выходной нагрузки LED драйвера в зависимости от температуры окружающей среды

Некоторые светодиодные источники питания MEAN WELL оснащены функциями регулировки выходного напряжения и тока. Модели с классом защиты IP67 (герметизированные теплопередающим силиконом) не позволяют регулировать выходное напряжение и ток, но HLG-150A/240A имеет специальную конструкцию, которая допускает внешнюю регулировку; у моделей с пластиковым корпусом регулировку можно выполнить только после снятия верхней крышки. Диапазон регулируемого напряжения будет +/-10% или + 0/-15% от номинального значения, а диапазон регулируемого тока будет около 50-100% от номинального значения.

•  Металлический корпус заземлен – FG (заземление корпуса)
  Для применений с соединением FG предлагается соединить металлические корпуса источника питания LED и LED модуля с FG, чтобы уменьшить электромагнитные помехи (EMI) всей системы.
  
•  Электропроводка
  Поскольку длина входного и выходного кабелей может быть измерена из-за реальных полевых применений, синфазный шум может быть очень значительным. Чтобы эффективно снизить уровень шума, на проводке рядом со светодиодным модулем может быть установлено закрепленное синфазное ядро. Это решение также применимо, если входной кабель тока AC слишком длинный (см. рис.2.9).
  
•  Требования к уровню устойчивости к броскам напряжения
  Чтобы удовлетворить требования для наружных применений, устойчивость к броскам напряжения HLG-60/100/150/240 рассчитана на напряжение до 4 кВ. Для защиты более высокого уровня снаружи источника питания могут быть установлены варисторы или газовые трубки (номинал 500 В). Но конфигурация также должна соответствовать требованиям норм безопасности (см. рис. 2.9).
  
  
  
  Рис.2.9: Иллюстрация предлагаемых решений для защиты от электромагнитных помех (EMI) и устойчивости к броскам напряжения
  
• LED модуль с ИС драйвера
  Поскольку ИС LED драйвера является топологией схемы, использующей высокочастотное переключение (от сотен кГц до нескольких МГц), его использование для подачи постоянного тока на светодиодные модули может усложнить отладку электромагнитных помех (EMI). Из-за вопросов, связанных с EMI, более чем важно подавлять шум от ИС драйвера. Компоновка печатной платы должна быть ориентирована на размер дорожки заземления ИС драйвера и конфигурацию входных/выходных конденсаторов и индукторов. Предполагается, что общий дроссель, дифференциальный дроссель и высокочастотный X-конденсатор должны быть включены в схему печатной платы между выходной стороной источника питания и схемой ИС LED драйвера (см. рис.2.10).
  
  
  
   Рис.2.10 Предлагаемые решения EMI для ИС LED драйвера