CC BY
44
УДК 621.391.832
А.Ю. Олисовец, В.И. Туев, С.П. Шкарупо
Устройство питания светодиодной лампы с уменьшенным значением эмиссии помех
Установлено, что типовое техническое решение устройств питания светодиодных ламп характеризуется повышенным значением эмиссии гармоник. Предложено новое техническое решение устройства подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, экспериментальные исследования которого подтвердили его электромагнитную совместимость в части эмиссии гармоник.
Ключевые слова: Светодиод, устройство питания, эмиссия гармоник, ток, освещение, электромагнитная совместимость.
Традиционные источники света - лампы накаливания - до сих пор являются самыми распространёнными осветительными приборами бытового назначения, излучающими свет высокого качества. Как электропотребитель лампа накаливания, обеспечивая резистивный характер нагрузки, не дает эмиссии гармоник и имеет единичное значение коэффициента мощности [1]. Основной недостаток ламп накаливания - малая величина световой отдачи, не превышающая значение 14 лм/Вт. В последнее десятилетие ведутся интенсивные исследования по применению твердотельных светоиз-лучающих диодов для целей освещения и достигнуты впечатляющие результаты в части световой отдачи, превышающей значение 120 лм/Вт. Однако вопросы электромагнитной совместимости светодиодных источников света решены неокончательно. В данной работе проведен анализ электромагнитной совместимости светодиодных источников света в части эмиссии гармоник.
Постановка задачи. Из анализа многочисленных литературных источников [1-4] следует, что устройства питания светодиодных ламп строятся в соответствии с электрической схемой, приведенной на рис. 1.
Устройство содержит двухполупериодный выпрямитель на диодах ¥01-¥04, на который подается напряжение электрической сети через гасящий резистор Ш. С выхода выпрямителя пульсирующее напряжение подается на конденсатор С1 и далее на параметрической стабилизатор тока светоизлу-чающих диодов (СИД) УБ5, ..., УБ6 как на рис. 1, либо на импульсный преобразователь в других устройствах [3].
Соотношение временных диаграмм напряжения электрической сети Ц/(?) и формы потребляемого тока Д?) в типовой схеме устройств питания приведено на рис. 2.
Рис. 2. Соотношение временных диаграмм напряжения электрической сети (пунктир) и формы потребляемого тока (сплошная линия) в типовой схеме устройств питания
Потребление тока происходит короткими импульсами синхронно по времени с максимальными значениями напряжения питающей сети. Энергия импульса тока тратится на восстановление заряда конденсатора С1, израсходованного на питание светодиодной части за половину периода питающего переменного напряжения. Несоответствие формы потребляемого тока форме питающего напряжения свидетельствует о нелинейном характере протекающих процессов и наличии эмиссии гармоник [5]. Предельные значения гармоник ограничены требованиями государственного стандарта [6].
Таким образом, целью работы является оценка эмиссии помех в типовом устройстве питания светодиодных ламп и разработка устройства со сниженным значением эмиссии помех при увеличенных значениях светового потока и коэффициента мощности (отношения активной части к значению полной потребляемой мощности [2]).
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
1. Осуществить спектральный анализ потребляемого из электрической сети тока.
2. Разработать конструкцию устройства питания с уменьшенной эмиссией гармоник.
Последующие исследования проводятся при следующих допущениях и ограничениях, не влияющих на общность полученных выводов и заключений:
1. Безинерционность светодиодов на частотах питающей сети и ее гармоник.
2. Пропорциональность излучаемого светового потока протекающему через светодиод току.
3. Идентичность светодиодов в лампе.
Спектральный анализ потребляемого тока в типовой схеме устройств питания
Спектральный анализ проведен разложением аппроксимирующей временную форму тока, которая представлена на рис. 2, функции в ряд Фурье:
I(t) = Io + Yk=lak 'cosk® (+ T,k=\bk 'sink® t,
где ak ,bk - коэффициенты разложения в ряд Фурье;
(1)
Рис. 3. Спектр тока, потребляемого от сети, в типовой схеме устройств питания
га - круговая частота питающей сети.
Вследствие симметричности формы тока относительно горизонтальной оси нулевая составляющая и четные гармоники в (1) имеют значения, равные нулю.
Спектральные составляющие тока, потребляемого от сети в типовой схеме устройств питания, рассчитанные в соответствии с (1) и нормированные относительно значения первой гармоники, приведены на рис. 3.
Типовое техническое решение устройств питания светодиодных ламп не удовлетворяет требованиям стандарта.
С целью устранения выявленного недостатка предложено новое техническое решение устройства питания [6].
Функциональная схема устройства приведена на рис. 4, на котором обозначено: 1 - контроллер; 2, 3 - аналого-цифровые преобразователи (АЦП); 4 -диодный выпрямитель; 5.1, 5.2, ..., 5.п - управляемые ключи; 6.1, 6.2, ..., 6.п - СИД; 7 - первый резистор; 8, 9 - второй и третий резисторы.
Устройство, изображенное на рис. 4, работает следующим образом.
В выключенном состоянии ключи 5.1, ..., 5.п разомкнуты, что предотвращает выход СИД из строя при включении устройства. При включении устройства контроллер 1 с помощью АЦП 2 определяет момент перехода пульсирующего напряжения на выходе диодного выпрямителя 4 через ноль и подает логические сигналы на управляющие входы управляемых ключей 5.1, 5.2, ..., 5.п таким образом, чтобы управляемые ключи перешли в замкнутое состояние. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 оказывается подключена цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, замкнутого ключа 5.п и резистора 7. Светится СИД 6.1. С увеличением значения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 возрастает значение тока, протекающего по цепи последовательно соединенных СИД 6.1 - замкнутый ключ 5.п - резистор 7. Ток в цепи контролируется контроллером 1 с помощью АЦП 3 по падению напряжения на резисторе 7. При достижении тока в цепи максимального значения для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логический сигнал на управляющим входе управляемого ключа 5.1 таким образом, чтобы управляемый ключ 5.1 перешел в ра-
зомкнутое состояние. К выходным клеммам диодного выпрямителя 4 оказывается подключена цепь из последовательно соединенных СИД 6.1, 6.2, замкнутого ключа 5.п и резистора 7. Светятся СИД 6.1 и 6.2. При дальнейшем увеличении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер последовательно размыкает ключи 5.2; 5.3 и т.д., поочередно подключая светодиоды СИД 6.3; 6.4 и т.д. После достижения напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 максимального мгновенного значения напряжения и, соответственно, тока, протекающего по цепи СИД 6.1; 6.2; ... б.п-1, замкнутый ключ 5.п, резистор 7, напряжение и ток уменьшаются. При достижении тока в цепи, который равен минимальному значению тока для выбранного типа СИД контроллер 1 изменяет логический сигнал на управляющем входе управляемого ключа 5.п-1 таким образом, чтобы управляемый ключ 5. п-1 перешел в замкнутое состояние. При дальнейшем уменьшении напряжения на выходных клеммах диодного выпрямителя 4 контроллер последовательно замыкает ключи 5.п-2; 5.п-3 и т.д., поочередно выключая светодиоды СИД 6.п-2; 6.п-3 и т.д.
Рис. 4. Функциональная схема устройства питания светодиодной лампы
В результате за половину периода переменного питающего напряжения с максимальной яркостью светятся один, два, три, ..., п-1, п, п-1, ..., три, два один СИД, обеспечивая максимальное значение светового потока. Ток в цепи СИД меняется от минимального до максимального значения с частотой в 4хп раз большей частоты питающего переменного напряжения.
По предлагаемой функциональной схеме (см. рис. 4) был изготовлен макет устройства, содержащий четыре последовательно соединенных СИД типа КИПД-152 [4], причем анод первого СИД подключен к положительной выходной клемме диодного выпрямителя, первый резистор, одним выводом соединенный с отрицательной выходной клеммой диодного выпрямителя, а входные клеммы диодного выпрямителя подключены к источнику переменного напряжения, четыре управляемых ключа, причем первый ключ подключен параллельно второму СИД, второй ключ подключен параллельно третьему СИД, третий ключ - параллельно четвертому СИД, первый вывод четвертого ключа подключен к катоду четвертого СИД, а второй вывод - ко второму выводу первого резистора, контроллер с процессором и двумя АЦП, дифференциальные входы первого из них подключены к первому резистору, дифференциальные входы второго АЦП подключены к третьему резистору делителя напряжения из второго и третьего резисторов, подключенного между положительной и отрицательной выходными клеммами двухполупериодного диодного выпрямителя, а четыре выхода процессора подключены соответственно к управляющим входам первого, второго, третьего и четвертого управляемых ключей.
Нормированные значения экспериментально измеренных значений гармонических составляющих тока приведены на рис. 5.
В результате сравнения полученных результатов со спектральными составляющими тока, потребляемого от сети в типовой схеме устройств питания, установлено, что предложенное устройство имеет на 12-23 дБ меньшее значение третьей, пятой, ..., одиннадцатой гармоник питающей сети. Превышение значений семнадцатой и более высоких гармоник в предложенном техническом решении относительно типовой схемы устройств питания может быть устранено применением фильтра нижних частот.
Заключение. Таким образом, в результате проведенных исследований установлено, что типовое техническое решение устройств питания светодиодных ламп характеризуется повышенным значением эмиссии гармоник.
Предложено новое техническое решение устройства подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока, экспериментальные исследования которого подтвердили его электромагнитную совместимость в части эмиссии гармоник.
Рис. 5. Нормированные значения экспериментально измеренных значений гармонических составляющих тока
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках проекта КРМБР157714Х0061.
Литература
1. Махлин А. Особенности проектирования блока питания для светодиодных ламп // Полупроводниковая светотехника. - 2011. - № 1. - С. 30-33.
2. Семёнов Б.Ю. Экономическое освещение для всех. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010. - 224 с.
3. Китаев В.Е. Расчёт источников электропитания устройств связи: учеб. пособие для вузов. -М.: Радио и связь, 1993. - 232 с.
4. Гончарова Ю.С. Ускоренные испытания полупроводниковых источников света на долговечность / Ю.С. Гончарова, И.Ф. Гарипов, В.С. Солдаткин // Доклады ТУСУРа. - 2013. - № 2 (28). -С. 51-53.
5. Туев В.И. Микроволновые усилители с большим динамическим диапазоном / В.И. Туев,
B.М. Коротаев. - Томск : Изд-во Том. гос. ун-та систем упр. и радиоэлектроники, 2013. - 175 с.
6. ГОСТ 30804.3.2-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний. - М.: Госстандарт России, 2013. - 29 с.
7. Заявка на патент на изобретение. Российская Федерация, МПК 7: Н 01 Ь 33/00, Н05В 37/02. Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока / В.И. Туев,
C.П. Шкарупо, А.Ю. Олисовец, А.Ю. Хомяков, В.С. Солдаткин, А.В. Иванов, Ю.В. Ряполова, А.А. Вилисов (Щ). - №2015124588; заявл. 23.06.2015.
Олисовец Артем Юрьевич
Аспирант каф. радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ) Тел.: 8-952-897-66-89 Эл. почта: celll@list.ru
Туев Василий Иванович
Д-р техн. наук, профессор, зав. каф. РЭТЭМ
Тел.: (382-2) 70-15-06
Эл. почта: tvi_retem@main.tusur.ru
Шкарупо Семен Петрович
Аспирант каф. РЭТЭМ Тел.: 8-952-886-66-03 Эл. почта: rk9uba@yandex.ru
Olisovets A.Y., Tuev V.I., Shkarupo S.P.
LED lamp power supply unit with reduced noise emissions
It was found that the typical solution to LED lamp power supply is characterized by the increased harmonics emission. A new technical solution to connect the LED device to AC power was proposed. Experimental studies have confirmed its electromagnetic compatibility with regard to the emission of harmonics. Keywords: Power supply, light emitting diode, emission of harmonics.
