Ретрофитные лампы с цоколем Е27: взгляд со стороны

В статье рассматриваются особенности ретрофитных ламп с цоколем E27, предназначенных для замены традиционных ламп накаливания. Кроме того, обсуждаются некоторые из множества проблем, возникающих при проектировании светодиодных ламп, а также приводятся варианты их решения, предлагаемые рядом фирм-производителей.

ВВЕДЕНИЕ
Для массового потребителя наибольший интерес представляют ретро-фитные лампы с цоколем E27, т.к. это наиболее часто используемый тип ламп в жилых и офисных помещениях.

Электрические и светотехнические параметры ретрофитных ламп неразрывно связаны с соответствующими конструкторскими и технологическими решениями. Например, отказ от крепления металлизированной печатной платы со светодиодами на алюминиевый радиатор корпуса может исключить проблему поражения током в случае применения неизолированного источника питания светодиодов. Использование держателей светодиодов и специальных разъемных соединителей взамен пайки мощных светодиодов повышает надежность ламп.

Основные проблемы, неразрывно связанные с ретрофитными лампами (Е27), впрочем, как и со светодиодными лампами всех типов, — снижение стоимости, повышение срока службы и, конечно, их безопасность. Именно эти характеристики интересуют, в первую очередь, массового потребителя.

СТОИМОСТЬ
Стоимость светодиодных ламп является первостепенным фактором при замене популярных ламп накаливания и компактных люминесцентных ламп. Хорошо освоенная за многие годы выпуска технология изготовления этих ламп обеспечивает их сравнительно малую стоимость, поэтому по цене светодиодные лампы пока неконкурентоспособны. Тем не менее, по мере усовершенствования технологии и преодоления технических и технологических проблем их стоимость постоянно снижается, что делает их все более привлекательными для массового потребителя.

В сделана попытка проанализировать стоимость лампы Cree 60W LED с целью, во-первых, определить прибыль производителя при ее цене всего 13 долл. в торговой сети Home Depot, а, во-вторых, — найти потенциальный источник существенного снижения стоимости ретрофитных ламп. В лампе Cree 60W LED применяются 20 светодиодов типа XT-E (Cree) и едва ли для какого-нибудь другого производителя светодиодных ламп стоимость светодиодов этого типа окажется меньше, чем для самой компании Cree. Стоимость комплектующих и трудозатраты приведены в таблице 1. Давайте считать, что цена 20 светодиодов составляет 2 долл., чтобы не превысить указанную цену 13 долл. и учесть прибыль при розничной продаже. Стоимость светодиодов — самый щекотливый вопрос, который дает много поводов для размышлений. При единичных поставках цена светодиодов XT-E составляет примерно 1,2-1,5 долл. При больших объемах поставки их стоимость меньше 1 долл.

Как следует из данных таблицы 1, почти 90% стоимости составляют цена светодиодов, металлического радиатора, ИС драйвера и связанных с ним компонентов, а также фильтра. Кроме того, стоимость некоторых компонентов лампы почти соизмерима — нет превалирующей по цене составляющей. Чтобы снизить цену лампы, следует сократить стоимость по возможности каждой составляющей. Можно по-разному относиться к приведенным в этой таблице данным, которые иногда спорны и неоднозначны, но они дают ориентировочное представление о том, каким образом формируется цена ретрофитных ламп и каковы реальные возможности ее снижения.

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ
Ретрофитные лампы с цоколем Е27Такой малопонятный для массового потребителя параметр ретрофитных ламп как коэффициент мощности (Power Factor, PF — КМ), оказывает существенное влияние на качество поставляемой по сети электроэнергии.

Известно, что лампы накаливания отличаются почти идеальным КМ. Следовательно, ретрофитные источники твердотельного освещения также должны иметь достаточно высокий КМ, чтобы не ухудшить показатели уже существующей инфраструктуры с учетом того, что число заменяемых ламп накаливания исчисляется миллиардами единиц. В связи с этим международные и региональные организации стандартизации установили соответствующие нормы для светодиодных источников освещения в зависимости от их назначения.

В источниках питания светодиодов подавляющего большинства ретрофитных ламп с цоколем Е27 используются импульсные DC/DC-преобразователи или однокаскадные импульсные AC/DC-преобразователи со встроенным корректором коэффициента мощности (Power Factor Correction, PFC — ККМ). DC/ DC-преобразователи, используемые в ретрофитных лампах, мало чем отличаются от стандартных. А именно: напряжение питания этих источников питания увеличено минимум до 350-400 В, встроенный выходной МОП-транзистор имеет допустимое напряжение 500-800 В, а вместо регулирования по выходному напряжению используется регулирование по току, т.к. световой поток зависит от протекающего через светодиоды тока. В источниках питания светодиодов, созданных на базе преобразователей DC/DC, сетевое напряжение (220 В) выпрямляется с помощью диодного моста и фильтруется электролитическим конденсатором. В случае применения в качестве DC/DC-преобразователей микросхем типа HV9910, AL9910, BP3122, BP2812, CPC9909, IS31LT3910, MXHV9910, MP4000, а также их аналогов и модификаций едва ли КМ превысит 0,5. Следовательно, увеличение (коррекция) коэффициента мощности обеспечивается благодаря т.н. пассивным корректорам, что, в лучшем случае, позволяет увеличить КМ до 0,7-0,8. Пассивные корректоры содержат нелинейные элементы (катушки индуктивности, конденсаторы и диоды) и, как правило, оптимизированы для конкретного входного напряжения и характера нагрузки; при их изменении эффективность работы корректоров снижается.

Более высокое значение коэффициента мощности (вплоть до 0,99) обеспечивают т.н. активные корректоры. Микросхемы однокаскадных AC/ DC-преобразователей со встроенным ККМ, предназначенные для использования в драйверах светодиодов, выпускаются многими компаниями (см. табл. 3). Как правило, у таких ИС коэффициент мощности составляет 0,90-0,99, и потому не возникает проблем при создании ретрофитных ламп с КМ более 0,9.

Общий недостаток однокаскадных AC/DC-преобразователей с ККМ, который, безусловно, необходимо учитывать при выборе типа ИС для источника питания светодиодов, — пульсации тока через светодиоды с удвоенной частотой сетевого напряжения, что неизбежно приводит к пульсациям светового потока.

Чтобы приблизить значение коэффициента мощности к единице, форма потребляемого от сети тока должна быть максимально схожей с синусоидальной, а сдвиг фаз между сетевым напряжением и потребляемым током равен нулю. форма напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя без фильтрации представляет собой синусоидальные полуволны. Если коммутируемую катушку индуктивности обычного импульсного DC/DC-преобразователя подключить к диодному мосту, форма огибающей потребляемого от сети импульсного тока приблизится к синусоидальной. При этом форма огибающей высокочастотного импульсного тока через светодиоды также станет близка к полуволнам. Вопрос в том, как добиться наиболее эффективного управления средним током через светодиоды и какой из известных методов использовать для импульсного преобразователя, чтобы обеспечить высокое значение КМ и КПД, не превысив допустимого уровня создаваемых помех. В выпускаемых многими компаниями однокаскадных импульсных AC/DC-преобразователях с ККМ для источников питания светодиодов реализованы разные технические решения, а также принципы работы и управления током через светодиоды, но это тема другой статьи.

В случае применения однокаскадных импульсных AC/DC-преобразователей с ККМ форма тока через светодиоды напоминает синусоидальные полуволны. Чтобы сгладить пульсации, используется конденсатор большой емкости. Поскольку частота пульсаций низкая (100 Гц) и динамическое сопротивление каждого из светодиодов крайне малое (< 1 Ом), применяется электролитический конденсатор большой емкости, что связано со многими сопутствующими проблемами. К ним относится увеличение габаритов и стоимости, а также сокращение срока службы. Последнее связано с тем, что поскольку температура лампы может превышать 90°С, существенно снижается, в первую очередь, срок службы электролитических конденсаторов. В соответствующих санитарных правилах и нормах приведены рекомендованные уровни пульсаций светового потока для разных помещений, которые необходимо учитывать при проектировании ретрофитных ламп. Таким образом, при необходимости обеспечить малый коэффициент пульсаций применяется двухкаскадная схема источника питания светодиодов (т.е. ККМ и дополнительный импульсный DC/DC-преобразователь), что влечет за собой увеличение стоимости, хотя без электролитического конденсатора, так или иначе, не обойтись. Для ретрофитных ламп (Е27) имеется масса приложений, и те из них, в которых требуется малый коэффициент пульсаций, можно перечислить по пальцам. Ведущие компании-производители в последнее время буквально наводнили рынок недорогими ИС (FL7701, FSL0116, TPS92075, SSL2109/29, SSL21101 и др.), обеспечивающими коррекцию КМ. Их основным преимуществом является отсутствие необходимости в электролитическом конденсаторе. При этом не акцентируется внимание на том, что при использовании этих ИС не избежать больших пульсаций тока через светодиоды с удвоенной частотой сетевого напряжения. На рисунке 2 приведена осциллограмма тока через светодиоды в случае использования FL7701. Коэффициент мощности зависит от суммарного коэффициента гармоник (Total Harmonic Distortion, THD) потребляемого от сети тока, поэтому в нормативных документах на светодиодные осветительные приборы приводится также значение THD или уровни эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока. В таблице 4 приведены рекомендованные ГОСТ Р 51317. 3.2-99 (МЭК 61000-3-2-95) уровни эмиссии гармонических составляющих потребляемого тока для осветительного оборудования с разной активной мощностью. Потребляемая мощность ретрофитные ламп (Е27) составляет 5-25 Вт. Частота коммутации в однокаскадных импульсных AC/DC-преобразователях с ККМ для ретрофитных ламп Е27 составляет 50-300 кГц, поэтому не возникает проблем для подавления генерируемых помех (как по электросети, так и радиопомех) до уровня, рекомендованного в нормативных документах для обеспечения электромагнитной совместимости электрооборудования. Как правило, для этого используются помехоподавляющие НЧ-фильтры на основе катушек индуктивности и конденсаторов. Недостаток такого решения — увеличение габаритов и стоимости ламп. Ретрофитные лампы с цоколем Е27 ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ Поскольку существующие ИС драйверов обеспечивают реализацию как изолированной (с использованием трансформатора), так и неизолированной схемы подключения светодиодов, постоянно дискутируются связанные с этим риск поражения электрическим током и снижение цены лампы (в случае неизолированного варианта). К примеру, в лампе Insignia (NS-LED60F) используется бестрансформаторный источник питания светодиодов на базе микросхемы LM3445 от TI. Как утверждают специалисты, лампа с неизолированной схемой подключения светодиодов проще и дешевле, чем с изолированной. Однако вполне очевиден ответ на вопрос, чему отдать предпочтение, — экономии или безопасной эксплуатации, если все-таки произойдет несчастный случай, несмотря на соблюдение всех необходимых требований при изготовлении неизолированной лампы. Если принять во внимание данные, приведенные в таблице 1, сомнительно, что при таком распределении затрат применение трансформатора повлечет существенное повышение стоимости ретрофитной лампы. Проблему снижения стоимости за счет отказа от трансформатора, как всегда это и бывает, необходимо рассматривать применительно к каждому конкретному случаю. Вместе с тем, многие компании разработали и предлагают ИС драйверов, обеспечивающих подключение светодиодов с помощью неизолированной схемы. К числу этих компаний относятся Diodes Incorporated (AL9910), Fairchild Semiconductor (FL7701, FSL0116), NXP (SSL2109/29, SSL21081/83), Supertex (HV9910/31/61), Texas Instruments (LM3444/5/8, TPS92075) и т.д. При использовании неизолированных (т.е. бестрансформаторных) источников питания один из выводов цепи светодиодов подключается к сети 220 В. В большинстве случаев такие источники применяются для снижения стоимости ретрофитных ламп. Защита от поражения электрическим током обеспечивается изоляцией токопроводящих доступных для прикосновения элементов от сети, в данном случае, корпуса лампы (если он металлический). Следовательно, необходимо надежно изолировать корпус лампы от возможного контакта с цепью 220 В, не ограничившись только выводами светодиодов. Между корпусом и этими выводами, один из которых в бестрансформаторной схеме подключается к цепи 220 В, имеется слой диэлектрика (в случае монтажа светодиодов на металлизированную плату). Материал диэлектрика и его толщину следует выбирать с учетом допустимого напряжения пробоя (1,5/3,0 кВ в зависимости от класса оборудования). Лампа накаливания никогда не была «изолированной» в полном смысле этого слова. В отличие от лампы накаливания (спираль которой перегорает), светодиодная лампа продолжает светить с поврежденной колбой и, соответственно, с потенциально открытыми для доступа светодиодами, что не вызовет непреодолимого желания немедленно ее заменить. А если она установлена вне помещения на открытом воздухе, то отсутствие надежной изоляции и повышенная влажность могут привести к неблагоприятным последствиям. СРОК СЛУЖБЫ Срок службы светодиодных ламп — намного более значимая и понятная каждому потребителю характеристика ретрофитных ламп. Срок службы зависит от многих факторов, одним из которых является повышенная температура эксплуатации ламп. Заявленный некоторыми производителями срок службы светодиодных ламп составляет 50-60 тыс. ч (почти 25 лет), что в 50 раз больше того, чем могут похвастаться лампы накаливания. Повышенная температура эксплуатации светодиодных ламп вызывает множество проблем. К ним относятся, во-первых, нагрев корпуса и колбы. Несмотря на то, что температура нагрева существенно меньше, чем в лампах накаливания, потребителю это едва ли понравится. Во-вторых, — снижение надежности и, соответственно, срока службы. Самый простой способ снижения температуры — использовать массивный металлический радиатор для отвода тепла. Однако размеры радиатора ограничены габаритами лампы, поэтому производители ищут другие способы улучшить отвод тепла.Ретрофитные лампы с цоколем Е27 Компания Dialog Semiconductor GmbH (iWATT) в своих драйверах светодиодов использует один из традиционных способов стабилизации температуры. Температура внутри лампы в отсутствие циркуляции воздуха может превышать 90°С. Воздействию повышенной температуры подвержены все компоненты лампы, но наиболее уязвимые из них — алюминиевые электролитические конденсаторы, обеспечивающие оптимальное соотношение габаритов, величины емкости и стоимости для многих приложений, в т.ч. при использовании в драйверах светодиодов ретрофитных ламп Е27. В документации на электролитические конденсаторы можно найти аналитические зависимости срока их службы от температуры, из которых следует, что при снижении температуры на 10°С срок их службы увеличивается вдвое. В таблице 5 приведен срок службы некоторых типов электролитических конденсаторов, выпускаемых компанией NIC Components Corporation (Япония). Тип конденсатора и температуру, при которой гарантируется срок службы, можно определить из приведенных данных, но не следует при этом забывать о его стоимости. Многие типы ИС драйверов содержат устройство защиты, которое обеспечивает отключение микросхемы при превышении заданной температуры. Разумеется, при этом отключается и сама лампа. В ИС драйверов светодиодов iW3626, iW3606, iW3608 (Dialog Semiconductor) реализован другой подход. При достижении заданной температуры благодаря встроенной системе защиты OTP (Over-Temperature Protection) ток через светодиоды уменьшается. Для измерения температуры не требуется внешний терморезистор — с этой целью используется встроенный в ИС температурный датчик, а значение температуры корпуса, при которой ток через светодиоды начинает уменьшаться, выбирается на аппаратном уровне. Например, для ИС iW3606/08 эти значения выбираются из ряда 100, 105, 110 и 115°С. В этом случае лампа не отключается — уменьшается лишь световой поток, что во многих случаях потребитель может и не заметить. В то же время, использование такого подхода позволяет, не выключая лампу, предотвратить фатальное увеличение температуры и избежать ее перегрева и, как следствие, отключения. Поддержание температуры лампы в заданных пределах продлевает срок службы компонентов и, следовательно, лампы. График относительного изменения тока через светодиоды в зависимости от температуры приведен на рисунке 3. При увеличении температуры происходит поэтапное снижение тока на 10%. ДРУГИЕ РЕШЕНИЯ Повышенная температура ламп, которая является ключевой проблемой, неразрывно связанной не только с ретрофитными лампами с цоколем Е27, но и со светодиодными лампами других типов, тормозит их массовое распространение на рынке. Высокая рабочая температура светодиодов негативно влияет на основные характеристики ламп — их стоимость, срок службы, габариты, массу и т.д. Традиционные подходы для решения каждой из проблем не обеспечивают кардинального улучшения параметров лампы. Нетрадиционный подход для снижения температуры ретрофитных ламп предложили компании Switch (США) и Follett Optoelectronic Co. (Китай). В своих лампах они реализовали систему охлаждения с помощью жидкого силикона, что наряду с другими передовыми технологиями изготовления позволяет уменьшить размеры и температуру ламп, а также повысить их светоотдачу и увеличить срок службы. Светоотдача ретрофитных ламп FL-BL3014 от Follett размерами всего 44?92 мм составляет 100 лм/Вт, а заявленный срок службы — 60 тыс. ч. Кроме того, в лампах FL-BL3014 не используются катушки индуктивности, трансформаторы и электролитические конденсаторы — традиционные компоненты для широко распространенных на рынке ретрофитных ламп. Схемы подключения светодиодов непосредственно к сети переменного тока (Direct-AC-Drive), т.е. без импульсных преобразователей, используются в некоторых типах светодиодных светильников. Такая схема подключения имеет ряд неоспоримых преимуществ: отсутствует необходимость в импульсном преобразователе, а, следовательно, в катушке индуктивности или трансформаторе (а также в электролитическом конденсаторе), что снижает стоимость и габаритные размеры драйвера светодиодов и способствует увеличению срока службы лампы. Использование схемы (Direct-AC-Drive) позволяет также исключить громоздкий помехоподавляющий фильтр, поскольку отсутствуют высокочастотные импульсы, генерируемые преобразователем. Ряд компаний выпускает контроллеры для реализации драйверов светодиодов, созданных с использованием схемы Direct-AC-Drive. Яркий пример — семейство CCR-контроллеров NSIxxx (Adjustable Constant Current Regulator & LED Driver) компании ON Semiconductor [6]. Эти контроллеры, как говорит уже само их название (Constant Current Regulator, CCR), обеспечивают заданный ток через светодиоды при изменении напряжения питания. Эквивалентная схема — двухполюсный переменный резистор. При увеличении напряжения на выводах двухполюсника его сопротивление также повышается, чтобы протекающий ток оставался неизменным в пределах допустимых значений. Стабилизированный ток имеет отрицательный температурный коэффициент, что приводит к снижению тока при повышении температуры корпуса. У NSI45035JZ температурный коэффициент равен — 0,029 мА/°С Вольтамперная характеристика CCR-контроллера NSI45035JZ (45 В, 35 мА), структурная схема подключения светодиодов к сети 220 В и осциллограммы, поясняющие работу схемы, приведены на рисунке 4. Недостаток приведенной схемы — большие потери мощности, если входное напряжение изменяется в широких пределах. В семействе CCR-контроллеров NSIxxx имеются модификации с разными вольтамперными характеристиками. В зависимости от величины тока стабилизации и допустимой рассеиваемой мощности микросхемы изготавливаются в разных корпусах (SOT223, SMB, DPAK) и предназначены для работы в диапазоне температур -55…150°С. Компания Active-Semi (США) выпускает драйверы светодиодов ACT801 (8 Вт) и АСТ811/13 (12 Вт) на базе запатентованных технологий Active Direct Drive и Active Valley Fill. У прототипа светодиодной лампы с драйвером ACT801 КМ > 0,9, а THD менее 40%. Микросхе-мы ACT801 изготавливаются в корпусе SOP-16.

Компания Login Digital (Корея) предлагает драйвер светодиодов LIDPCR101B также на базе новых запатентованных технологий. Размеры микросхемы: 7?7 мм; размеры модуля драйвера на базе этой ИС: 25?25 мм; КМ > 0,99; КПД: 83-90% при напряжении сети 220 В.

Драйвер светодиодов EXC100 компании Exclara (США) имеет размеры 7?7 мм и изготавливается в корпусе QFP. Микросхема EXC100 обеспечивает КМ > 0,98 и КПД > 90%.

Драйвер, применяемый в светодиодном модуле LLBMLW4-09D701A от LG Innotek Co. (Корея), изготавливается в корпусе 20-QFN и имеет размеры 5?5 мм. Модуль предназначен для работы при входном напряжении 190-280 В (50/60 Гц) и обеспечивает КМ > 0,93; THD < 20% и КПД > 90%.

В светодиодных модулях типа Acrich компании Seoul Semiconductor (Корея), а также в светодиодных светильниках Everlight (Тайвань) используется технология Direct-AC-Drive. Как правило, ИС драйверов светодиодов монтируются на металлизированную печатную плату вместе со светодиодами.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Традиционные пути решения ключевых проблем пока не привели к кардинальному улучшению параметров ретрофитных ламп — реальное увеличение светового потока ламп массового применения пока достигается только за счет повышения светоотдачи коммерчески привлекательных светодиодов.

Спрос на системы светодиодного освещения неуклонно растет — на то имеется много веских причин, впрочем, как и проблем, связанных с созданием этих систем. Многие из проблем в определенной мере преодолены, другие требуют пристального внимания и поиска новых нетрадиционных способов решения.

TRIAL NEWS