 Энергосберегающие светодиодные лампы, приходящие на смену традиционным лампам накаливания, отличаются от них не только тем, что «бережнее» расходуют электроэнергию, но и новым уровнем «интеллекта». Для них разработаны и выпускаются блоки электронного управления источником света.
Применять электронное управление в традиционной лампе накаливания нет необходимости: там нить накала соединяется непосредственно с выводами сетевого напряжения. Электрический ток, протекая через вольфрамовую нить, разогревает её до температуры почти 3000°С, и раскалённый металл испускает свет.
Другое дело — светодиодная лампа, в которой светится покрытый слоем люминофора полупроводниковый кристалл. Её работой управляет сложный электронный блок. Главная его задача — обеспечить работу лампы в строго заданных режимах, ведь при несоблюдении режимов работы светодиоды быстро выходят из строя, лампа перегорает. Кроме того, электроника следит за тем, чтобы как можно больше энергии расходовалось на излучение света, а не уходило в тепло, то есть тем самым помогает поддерживать высокий кпд. Блок электронного управления обеспечивает безопасность использования лампы, в том числе защиту от поражения электрическим током. Ещё одна задача — поддерживать постоянную яркость в различных условиях эксплуатации — в жару и в холод, при воздействии сетевых помех, вызванных, например, работой холодильника. Да и мерцать с частотой сетевого напряжения 50 Гц лампа не должна. Наконец, электроника позволяет повысить потребительские свойства лампы за счёт реализации сервисных функций. Среди них — возможность дистанционного включения и выключения, регулировки яркости света, цветности и т. д.
 К энергосберегающим лампам относятся компактные флуоресцентные лампы (CFL — compact fluorescent lamps), часто их называют компактными люминесцентными, и светодиодные (LED — light-emitting diodes). Источник света у этих ламп различный. У люминесцентных — специальная трубка, внутри которой поддерживается тлеющий разряд. У светодиодных — покрытый слоем люминофора полупроводниковый кристалл, светящийся при протекании электрического тока. Но и те и другие отличаются от традиционных важной общей составляющей — электронным управлением источником света
Без электронного управления источником света ни одна из перечисленных задач не может быть решена.
Как работает электронный мозг
Чтобы сконструировать хорошую светодиодную лампу, надо не только выбрать качественные светодиоды, решить проблемы отвода тепла, но и спроектировать оптимальный блок электронного управления.
Основой блока электронного управления является специальная микросхема. Специалисты называют такую микросхему контроллером светодиодного драйвера или просто светодиодным драйвером.
Одна из главных функций контроллера светодиодной лампы — формирование постоянного, независимого от внешних условий тока, подающегося на светодиоды. Микросхема контроллера сравнивает протекающий в лампе ток с эталонным значением и выдаёт управляющие импульсы высокой частоты на его увеличение или уменьшение. Для стабилизации тока используется импульсный стабилизатор, который по сравнению с линейным стабилизатором обладает существенно более высоким кпд. Стабильный ток обеспечивает постоянную яркость свечения светодиодов и их долговечность.
Ток, используемый светодиодом, определяется мощностью лампы и её конструкцией. Обычно сила токов составляет от десятков миллиампер до нескольких ампер. Для управления такими токами применяют мощные выходные транзисторы, которые, как правило, встроены в контроллер.
Применение контроллера делает возможным подключение сервисных функций, которые неосуществимы в лампе накаливания. Светодиодную лампу можно включать и выключать без привычного выключателя. Для этого контроллеру необходимо прервать ток, протекающий через светодиоды. Управляют же контроллером по проводам сетевого напряжения, по радиоканалу или даже с помощью инфракрасного пульта управления, подобного тому, которым включают телевизор. Лампу можно включать и выключать дистанционно с помощью компьютера, не протягивая никаких дополнительных проводов, используя, например, Bluetooth. Наконец, совершенно реально осуществить управление от встроенных в лампу датчиков освещённости, движения, звука.
 Cхема блока электронного управления светодиодной лампой. Диодный мост, подключённый к цоколю лампы, выпрямляет переменное сетевое напряжение 220 В. Микросхема контроллера управляет работой силового ключа — мощного транзистора, который переключает на высокой частоте ток в первичной обмотке трансформатора. Выпрямленный диодом и стабилизированный ток вторичной обмотки поступает на светодиоды
Уникальная особенность светодиодных ламп нового поколения — возможность предварительной настройки требуемой яркости и цветности. Покупатель приобретает лампу, вкручивает её в стандартный патрон и с помощью пульта управления настраивает на комфортный уровень освещённости. Заданный уровень воспроизводится с каждым включением лампы. Не за горами появление «умной» лампы, которая будет регистрировать отсутствие людей в помещении и своевременно включать и выключать свет без каких-либо сигналов извне.
Безопасность лампы обеспечивается конструкцией электронной части в целом и дополнительными блоками: в контроллер встроены термодатчик, который выключает лампу в случае значительного перегрева колбы, и датчик, отслеживающий предельные значения сетевого напряжения. Наконец, специальная изолированная конструкция блока электронного управления делает обращение с лампой безопасным даже в случае неисправности её колбы.
Сейчас много говорится об «умных» домах. Концепция «умного» дома предполагает наличие интеллектуальной системы освещения. Преимущества такой системы очевидны. Пользователь может запрограммировать необходимые режимы освещения, которые обеспечат комфортные условия работы и отдыха, сберегут энергию, увеличат ресурс работы светильников или даже повысят безопасность жилища — работая в специальном режиме, лампа сымитирует присутствие людей дома во время их отъезда. А какая заманчивая задача — строить световые алгоритмы, собирая все источники света в цепочки, кубики, пирамиды и соединяя их в единую сеть, управляемую с вашего компьютера (великолепная перспектива для детей заняться чем-нибудь полезным за домашним компьютером!).
Чтобы реализовать концепцию, надо уметь управлять светильниками. Здесь и проявляются преимущества светодиодной лампы, управляемой встроенной микросхемой без каких-либо дополнительных устройств.
Ставка на российские предприятия
Выполняя государственную программу по замене ламп накаливания на энергосберегающие, отечественные предприятия вышли в мировые лидеры разработки и производства контроллеров светодиодных ламп. ЗАО «Дизайн центр ″Союз″» совместно с компанией «Ангстрем» разработали широкую гамму контроллеров, которые уже хорошо известны и широко востребованы на массовых рынках Юго-Восточной Азии. Недавно продукция этих предприятий была представлена на совещании руководителей Государственной корпорации РОСНАНО и администрации города Зеленограда по развитию Особой экономической зоны «Зеленоград».
Электронная начинка ламп нового поколения у нас уже есть, массовый выпуск отечественных светодиодов не за горами (в России работает проект по производству современных светодиодов, поддерживаемый РОСНАНО). Есть предприятия, проектирующие и выпускающие конечную продукцию — сами лампы. ЗАО «Оптоган» (Санкт-Петербург) и ЗАО «Протон-Импульс» (г. Орёл) активно занимаются разработкой и внедрением светодиодных ламп.
Налицо все составляющие успеха. И вполне реально, что в России завтра будут доминировать качественные и недорогие энергосберегающие лампы, полностью изготовленные на российской элементной базе.
Принципы управления светодиодной лампой
Можно выделить несколько основных принципов, на которых строится работа контроллера.
Использование импульсного стабилизатора
Для стабилизации выходного напряжения или тока можно использовать линейный либо импульсный стабилизатор. Регулирующим элементом линейного стабилизатора служит транзистор, который непрерывно работает в активном режиме. Высокое входное напряжение с его помощью преобразуется в низкое выходное. Разница этих напряжений, которая может быть значительной, падает на транзисторе. Если протекает большой ток, питающий, например, светодиоды, то на транзисторе выделяется большая мощность, что вызывает его разогрев. Соответственно кпд такого стабилизатора очень низкий.
В импульсном стабилизаторе транзистор работает в ключевом режиме, переключая ток дросселя или трансформатора. На открытых низкоомных ключах импульсного стабилизатора всегда падает небольшое напряжение, а значит, и потери невелики, что обеспечивает высокий кпд.
Широтно-импульсная модуляция
Управлять величиной среднего тока в импульсном стабилизаторе можно поразному. Один из способов заключается в регулировании ширины импульсов «включено» при неизменном периоде следования импульсов. Такой способ называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ или PWM — pulse width modulation). В светодиодных лампах используется именно ШИМ для задания требуемого тока светодиодов.
Использование высокой частоты
Блоки питания старых телевизоров или магнитофонов весили более килограмма. Современные зарядные устройства мобильных телефонов, тоже, по сути, блоки питания, весят не более 100 граммов. В обоих случаях в качестве основного узла используются трансформаторы. Откуда же такая разница в весе? Ответ заключается в частоте, на которой происходит преобразование напряжения. Известно, что с увеличением частоты для получения тех же электрических характеристик в схеме можно использовать дроссели и трансформаторы с меньшими габаритами. Чем выше частота, тем меньше трансформатор или дроссель. Раньше использовали низкую сетевую частоту 50 Гц. Сейчас частоты доходят до нескольких сотен килогерц и даже мегагерц. Поэтому габариты и вес трансформатора в современных моделях источников питания значительно меньше, чем в старых.
Изолированная и неизолированная конструкции
Использование трансформатора (а в трансформаторе первичная обмотка изолирована от вторичной) исключает возможность попадания высокого сетевого напряжения со входа трансформатора на его выход (светодиоды) даже в случае неисправности электронных компонентов управления — микросхем, транзисторов, диодов. Такая конструкция, называемая изолированной, гарантирует безопасность человека, случайно коснувшегося светодиодов. Использование же дросселя вместо трансформатора позволяет упростить и удешевить лампу за счёт ухудшения её безопасности, так как при неисправности электронной части сетевое напряжение попадёт на выход.
Коррекция коэффициента мощности
Фазы напряжения и тока классической лампы накаливания совпадают, так как нить накала лампы эквивалентна резистору. Коэффициент мощности в этом случае равен единице. Другие виды нагрузки, например индуктивная или ёмкостная, приводят к сдвигу фаз напряжения и тока. Коэффициент мощности уменьшается. Маленький коэффициент мощности приводит к дополнительным потерям при передаче энергии в линиях питания. Для того чтобы этого не происходило, в электронные блоки энергосберегающих ламп средней и большой мощности встраивают цепи коррекции коэффициента мощности.
Автор: Кандидат технических наук Виктор Эннс. | 
Поддержать проект
