Ламповый балласт для наружного освещения

Высокая эффективность и долгий срок службы делают светодиоды все более популярными в мире осветительных технологий, где они по праву считаются движущей силой инноваций. В уличном освещении рентабельность, срок службы, простота технического обслуживания и энергопотребление играют ключевую роль в сокращении общих затрат. Чтобы обеспечить функционирование, не требующее технического обслуживания, балласт светодиодной лампы должен быть столь же эффективным и иметь столь же долгий срок службы, как и сами светодиоды.

Двухступенчатая типовая конструкция

Новая типовая конструкция, разработанная компаниями TDK-EPC и STMicroelectronics (рис. 1), состоит из двух ступеней: предварительная cтупень корректировки коэффициента мощности (PFC) c контроллером L6562AT компании STMicroelectronics и резонансный преобразователь LLC на базе электрической интегральной микросхемы L6599AT.

Рис. 1. Главная плата с выпрямителем, ступенью корректировки коэффициента мощности (PFC) и резонансным преобразователем

Ключевыми характеристиками этого типа конструкции являются высокий коэффициент полезного действия (более 90%), широкий диапазон входного напряжения (85–305 В переменного тока), а также высокая надежность и долгий срок службы. Так как надежность, или усредненное время бесперебойной работы источников питания (MTBF), зависит от частоты отказов используемых электролитических конденсаторов, данная конструкция может быть охарактеризована как инновационная. В отличие от электролитических пленочные конденсаторы призваны служить для выравнивания и сохранения мощности в линейной цепи постоянного тока. Разработчики также учли ухудшение номинальных характеристик компонентов, что снижает их нагрузку на линии (в соответствии с рекомендацией MIL-HDBK- 217D). Благодаря использованию новых интегральных микросхем L6562AT и L6599AT от компании STMicroelectronics количество активных компонентов также сведено к минимуму, что повышает длительность бесперебойной работы и в то же время оптимизирует общую стоимость компонентов. Благодаря высокому КПД цепи ступень корректировки коэффициента мощности (PFC) почти не требует теплоотвода. Типовая конструкция дополнительно защищена от перегрузки и короткого замыкания, от работы в режиме холостого хода на каждой из ступеней и от перенапряжений на входе. После сбоя система возобновляет работу автоматически.

Ключевые характеристики устройства:

• расширенный диапазон входного напряжения европейского стандарта переменного тока 85–305 В при частоте 45–55 Гц;
• выходное напряжение 48 В при силе тока 2,7 А;
• увеличенный срок службы благодаря пленочным конденсаторам EPCOS;
• гармонические составляющие тока в соответствии со стандартом EN61000-3-2 класс С;
• коэффициент полезного действия при нормальной нагрузке >90%;
• электромагнитная совместимость в соответствии со стандартами EN55022 класс B, EN55015;
• безопасность: двойная изоляция в соответствии со стандартом EN60950, безопасное сверхнизкое напряжение (БСНН).

Ступень 1. Цепь корректировки коэффициента мощности

Ступень корректировки коэффициента мощности, работающая в переходном режиме, выполняет функцию предварительного контроллера для подачи электроэнергии на резонансную ступень при напряжении 450 В. Она представляет собой обычный усилитель напряжения, подключенный к выходу выпрямительного моста, и включает в себя повышающий индуктор, выпрямительный диод и выходные конденсаторы (пленочные конденсаторы на 5 мкФ/800 В). МОП-транзистор выполняет функцию импульсного переключателя. Плата оснащена входным помехоподавляющим фильтром, который удаляет помехи, производимые повышающей ступенью. Корректировка коэффициента мощности выполняется контроллером L6562AT — недорогим компонентом небольших размеров, который работает при широком температурном диапазоне, столь необходимом при применении вне помещений.

Ступень 2. Резонансный преобразователь

Контроллер L6599AT выполняет важную роль в вольтдобавочном преобразователе. В нем присутствуют все функции, необходимые для правильного регулирования резонансного преобразователя. L6599AT имеет постоянный рабочий цикл 50% и использует частоту как контрольный параметр. В трансформаторе имеется последовательно включенная катушка индуктивности, что устраняет необходимость во внешней катушке для создания резонанса при требованиях постоянной намагниченности. Для вторичной обмотки была выбрана конфигурация трансформатора с центральным отводом и выпрямителями Шоттки типа STPS10150CG. Для выравнивания мощности здесь также используются пленочные конденсаторы EPCOS с показателем 4,7 мкФ/63 В. Выходную часть завершает небольшой индуктивно-емкостный фильтр для подавления радиочастотных колебаний. Выходное напряжение регулируется и стабилизируется через контур обратной связи. На рис. 2 показана полная электрическая схема источника питания. Перечень деталей приводится в таблице 1.

Рис. 2. Полная электрическая схема источника питания светодиода

Измерение КПД

В таблице 2 показан суммарный КПД на линии переменного тока 230 В/50 Гц и 115 В/60 Гц при различных нагрузках. При напряжении 115 В и полной нагрузке суммарный КПД равен 90,96%, с возрастанием до 93,39% при напряжении 230 В. При измерении КПД под нагрузками 25, 50, 75 и 100% согласно стандарту ES-2 и вычислении усредненного показателя КПД составляет 91,04% при напряжении 230 В и 89,52% при напряжении 115 В. Это означает, что преобразователь может работать с высоким КПД не только при полной нагрузке, но и при более низких нагрузках, типичных для светодиодов с пониженной яркостью.