דחיפה של נוריות LED למתח גבוה עם עוצמת הארה גבוהה

מאת: דייב פריסקאק, טקסס אינסטרומנטס

ככל שהשימוש בנורות ליבון מצטמצם ביותר ויותר ארצות ובארגונים וחברות החלו מבינים את חיסכון האנרגיה שאפשר להשיג על ידי מעבר לשיטות תאורה חלופיות, ולאור העובדה שדיודות פולטות אור (LED) ונורות פלואורסצנט קומפקטיות (CFL) הפכו להיות החלופות השולטות, הצורך בפתרון לתאורה שעלותה נמוכה ושיש לה השפעה מועטה על הסביבה הופך להיות גדול מאי פעם. שתי החלופות האלו יכולות אמנם להתקיים, שתיהן, ועם זאת, ההבדל ביניהן עצום. החסרונות העיקריים של תאורה באמצעות נורות CFL באים לידי ביטוי במשך הזמן הארוך הנדרש עד לפעולה וביכולת עמעום גרועה, אך מאידך עלותן נמוכה באופן משמעותי בהשוואה לפתרונות תאורה המשתמשים בנוריות LED. מן הצד השני, נוריות LED מאופיינות בכניסה לפעולה מיידית וביכולת עמעום טובה, אך האימוץ שלהם בשוק איטי בשל עלותן. יצרנים של מוליכים למחצה ממשיכים ליצור רכיבים חדשים לדחיפת נוריות LED, במטרה להקטין את מורכבות המערכת ולהפחית את עלותה. ובינתיים יצרני נוריות LED דוחפים את הנצילות (הנצילות הכרוכה בהפקת האור) של נוריות LED בעלות עוצמת הארה גבוהה, על מנת להקטין את מספר הנוריות הנדרש ולהפחית את ההספק הנדרש להפעלתן.

את אחד החידושים האלו אנו רואים בהשקה של נוריות LED למתח גבוה בעלות עוצמת הארה גבוהה (High-voltage, High-brightness – HVHB). לנוריות LED אלו יש צורך במתח גבוה יותר בהרבה, על מנת להתחיל את מעבר הזרם, אשר כתוצאה ממנו נוצרת פליטת אור. נוריות LED חדשות אלו מציגות אתגרים חדשים והזדמנויות רבות. אמנם באופן מקורי הן מתוכננות לקבל אספקת מתח באופן ישר מקו מתח חילופין, אך גורמים שונים כגון נצילות נמוכה, גורם הספק נמוך וחוסר יכולת עמעום מגבילים את מספר היישומים שבהם הן יכולות לשמש.

אם נתבונן לרגע באיור 1 נראה את הבעיות שנוצרות כתוצאה מדחיפת נוריות LED מאספקת מתח ישירה, מתוך קו מתח חילופין. בשל המאמץ לענות על כל הדרישות שבטווח המתח (בין 90 ל- 135 וולט מתח חילופין, או בין 207 ל-253 וולט מתח חילופין), מפל המתח הקדמי (Vf) חייב להיות במתח החילופין הנמוך ביותר או פחות ממנו. המשמעות היא שכאשר המתח נמצא בגבול העליון של הטווח, המתח נופל על פני נגד הגבלת הזרם. מצב זה יוצר הפסדים ומקטין במידה רבה את הנצילות. בנוסף, מצב זה גם יוצר חום שעלול לקצר את אורך החיים של נוריות LED.

נתבונן כעת בזמן הנדרש עד להפעלה, כפי שהוא מתואר באיור 1. מאחר שנורית LED הופכת למוליכה רק אחרי שהמתח על פניה הגיע למתח Vf או עבר אותו, רק המתח שבשיא משמש כדי ליצור אור. גורם ההספק שמהווה אחוז קטן כל כך ממשך הזמן הכולל של זרם חילופין, נמוך מאוד. (נמוך באופן משמעותי – בעיקרון הוא נמצא מתחת לערכים הנדרשים בארה”ב, באירופה ובהודו, ובכך הופך בארצות אלו את נוריות ה-LED לבלתי שמישות עבור תאורה למגורים ותאורה מסחרית). פירושו של דבר שחברות אספקת החשמל חייבות לספק הספק רב יותר מזה הנדרש לפעולה, אם הן רוצות לעמוד בדרישות הספק השיא של נוריות LED אלו. לאחרונה, מאחר שרוב העמעמים (הן אלו המשתמשים ב- TRIAC וכן האלקטרוניים) פועלים על ידי קטיעת צורת הגל של מתח החילופין המסופק אל המנורה, העמעום מתרחש רק במשך הזמן הקצר שבו המנורות מוליכות. המשמעות היא שבמשך יותר מ- 90 אחוזים מטווח העמעום, התאורה תהיה פועלת במלואה או כבויה לגמרי.

ואולם, עם כל הנאמר לעיל, לנוריות LED מסוג HVHB יש כמה יתרונות בהשוואה לנוריות LED המתאימות לשימוש במתח הנמוך. מנקודת מבט של מעגל הדחיפה, הן מאפשרות ביצוע בקלות של דחיפה ישירה מאספקה שמעלה את תיקון גורם ההספק (PFC) (עיין באיור 2). טופולוגיה זו מבקרת את ההספק המסופק לעומס על ידי תיאום צריכת הזרם עם צורת הגל של מתח החילופין, ומבטיחה בכך שיהיה גורם הספק טוב (בדרך כלל, 0.97 או טוב יותר). עם צורה זו של תיקון גורם הספק, המעגל עולה בקלות על דרישות סוכנות ההסדרה, שהן 0.7 או 0.9, אשר הן הכרחיות לצורך מכירה של אביזרי תאורה מסחריים ואביזרים המשמשים בשימוש בייתי בארה”ב באירופה ובהודו. יתרון נוסף להעלאת מתח הכניסה טמון ביכולת ליצור מתח שיהיה גבוה דיו כדי לאפשר שימוש בתכנון יחיד של ספק כוח, בלי קשר למתח הכניסה. לכן, אפשר יהיה להגיע לשימוש בתאורת LED בעלת כניסת מתח אוניברסאלית (90 – 235 וולט מתח חילופין). כמו תמיד, קיימות פשרות כאשר מדובר בכניסה אוניברסאלית. לתכנון שיתאים גם ליישומים של 120 וולט חילופין וגם ליישומים של 220 וולט חילופין יש יתרונות של פריט שנוצר בתכנון מוצר יחיד, בתהליך ייצור יחיד וניתן לאחסון יחיד. עם זאת, על מנת להפוך מצב זה לאפשרי, יש צורך לאפשר לתכנון לטפל במתח גבוה יותר מזה שנדרש עבור פעולה במתח של 110 וולט חילופין ובזרם גבוה יותר מזה שנדרש ליישומים של מתח גבוה. כל הנאמר לעיל מסתכם בעלות חומרים (BOM) וברכיבים גדולים יותר, בהשוואה לפתרון המותאם לכל טווח מתחים בנפרד.

המשמעות של מתח גבוה היא גם שימוש בזרם נמוך יותר עבור הספק מוצא נתון. לדוגמה, כדי ליצור מקור תאורה בנוריות LED של 16 וואט (באמצעות ארבע נוריות LED של 4 וואט כל אחת, המחוברות בטור או במקביל) עם מתח קדמי כולל של 380 וולט מתח ישר, הזרם הנדרש יהיה 42 מילי אמפר בלבד. זרם נמוך כזה משמעו – קיבול אחסון?? נמוך שמאפשר שימוש בקבלים קרמיים זולים עם אורך חיים ארוך. השימוש בקבלים כאלו מגדיר את אורך החיים של מקור התאורה כולו, מאחר שהוא מבטל את הצורך בקבלים אלקטרוליטיים. קבלים אלקטרוליטיים אופייניים בעלי אורך חיים ארוך מוגדרים לשימוש במשך 20,000 שעות עבודה, אבל אורך החיים הזה מתקצר במידה רבה אם הם מתחממים חימום יתר, זאת לעומת נוריות LED שלהן יש אורך חיים ארוך של 50,000 שעות עבודה. עובדה זו נחשבת להישג משמעותי ביישומים כגון תאורת רחוב, תאורת האנגרים?? וסוגי תאורה אחרים שנתונים בטמפרטורות סביבה גבוהות.

מנקודת מבט של הנצילות, מרכיבי ההפסד העיקריים במעגל דחיפה של נוריות LED הפועל במצב מיתוג הן נוריות ה- LED עצמן ולא??: ספק כוח ממותג (מעגל משולב), טרנזיסטור FET לדחיפה ומעגל יישור. שמירה על תדירות המיתוג בתדירות סבירה (לדוגמה 150 קילו הרץ) מקטינה את הפסדי המיתוג בטרנזסיסטור FET ומשמעות הזרם הנמוך היא הפסדי הספק נמוכים במעגל היישור. אפשר לצפות לנצילות גבוהה יותר מ-90 אחוזים, וזו תשתנה אך במעט בטווח של מתח הכניסה, VIN כולו.

לתיקון גורם הספק אפשר להגיע בכמה דרכים:

1. בדרך אקטיבית: עם מעגל משולב שיש לו אלגוריתם מובנה לתיאום צריכת הזרם עם מתח הכניסה.

2. באמצעות טכניקת “מילוי שקעים”: טכניקה שדורשת דיודות ניתוב וקבלי אחסון כדי לספק זרם בזמן שכניסת מתח החילופין נמצאת במעבר.

3. בצורה טבעית: בדרך כלל, משלבת ספק כוח הפועל במצב ממותג (SMPS) ופועל בקונפיגורציית תחזיר (flyback) באופן לא רציף.

פעולה בטכניקת מילוי עמקים מקצרת את אורך חיי מעגל הדחיפה, מפני שנדרשים לה קבלים אלקטרוליטיים שאורך חייהם קצר, בפעולה בשיטת תחזיר קיימת עלות השנאי וכן יצירה של הפרעות אלקטרו מגנטיות (EMI) רבות בקרינה (כתוצאה מהפסדי שטף מגנטי בשנאי) ובהולכה (כתוצאה מתופעות מעבר חדות של המתח הגבוה ושל הזרם שנגרמות על ידי פעולה לא רציפה וכן גם כתוצאה מהמתח המוחזר השווה ל- VIN+ VOUT).

המשמעות של השימוש בטכניקה זהה לטכניקה המשמשת לצורך דחיפת נוריות LED למתח נמוך, היא בתהליך, ראשית יש צורך להעלות את מתח הכניסה עבור מעגל תיקון גורם ההספק, ורק לאחר מכן, להוריד את המתח עד למפל המתח Vf של שרשרת נוריות LED. לטכניקה זו נוספו מרכיב של מורכבות ושל עלות מעגל הדחיפה, ולעתים גם דרגות הספק שלמות המיועדות להמרת המתח הגבוה של מעגל תיקון גורם ההספק לזרם דחיפת נורית LED. שיטה נפוצה יותר לדחיפת נוריות LED הפועלות במתח נמוך היא השיטה המשתמשת בספק מתח בעל טופולוגית תחזיר הפועל במצב לא רציף (עיין באיור 3). יחס הליפופים של השנאי מסייע לגשר על ההפרש בין מתח הכניסה VIN לבין מתח הנורית Vf. החסרונות של טופולוגיה זו נעוצים במורכבות שלה (ובהקשר לכך גם העלות הגבוהה יותר), חוסר יכולתה לקבל מתח חילופין אוניברסאלי בכניסה, הפרעות EMI מוגברות בקרינה ובהולכה (הנגרמות על ידי מתח מוחזר והפסדי שטף מגנטי של השנאי). כמו כן, הרבה יותר קשה לתכנן ללא קבלי צבירה (bulk capacitor). קבלי צבירה למתח גבוה הם בדרך כלל קבלים אלקטרוליטיים ויש להם אורך חיים מוגבל, במיוחד בתנאי סביבה חמים. נוסף, מתח נמוך יותר יוצר זרמים גבוהים יותר, ובכך מעלה את הטמפרטורה ומגדיל את הגודל של רכיבים הנמצאים בנתיב ההספק, וכמו כן, גם מגביל את התפוקה של נוריות LED הנבחרות.

תכונה חשובה אחת של תאורה בנוריות LED היא יכולת העמעום באמצעות פתרונות עמעום קיימים (בעיקר כאלו המבוססים על TRIAC). יכולת עמעום זו על פני הטווח השלם של פעולת התקן TRIAC היא מה שמפריד בין נוריות LED עם מעגל לדחיפה נכונה לבין נוריות LED עם מעגל דחיפה גרוע או לבין נוריות שמתחברות ישירות למתח או לבין תאורת CFL. יש צורך לשים לב היטב כדי למנוע הבהוב (החטאות הפעלה של התקן TRIAC) ועל מנת לספק, במצב של עמעום קל, כמות עומס שתספיק לשמור את העמעם כשהוא במצב הולכה. חיוני לסנן את קו מתח החילופין כדי להקטין את צורות הגל ב-50 הרץ (או ב-60 הרץ) וכדי שלא ישפיע על המתח של נוריות LED. כמו כן, חיוני להגביל את הפרעות EMI בהולכה, על מנת שלא יעברו לאחור אל תוך צורות הגל שבכניסה (ויפרו את מפרט ועדת FCC).

העמעום מושג על ידי “פענוח הקידוד” של חתימת מתח החילופין במהלך העמעום המבוצע על ידי התקן TRIAC והמרת התוצאה לשווה ערך של מתח או של זרם שאותו אפשר להזרים ישירות אל תוך ספק הכוח, או להמיר אותו לאות באפנון רוחב אות (PWM), על מנת לכוונן את הזמן של מצב “פועל” של נורית LED בהתאמה לאחוזי העמעום.

קיימות פשרות שיש לבצע בעת עמעום. הזרקה של מתח או זרם אנלוגיים לתוך נתיב המשוב של מעגל הדחיפה היא השיטה הזולה ביותר ונדרש לה תוספת מינימלית של מעגל. עם זאת, יש בה כמה חסרונות. יתכן שיציבות הלולאה תהיה בסכנה בספקי SMPS הפועלים באפנון PWM, ותנודות או “צלצולים” עלולים להופיע במצבים של מעברי מתח. תופעות כאלה עלולות להופיע כהבהובים בתפוקת התאורה של נורית LED. חיסרון נוסף הוא שעמעום אנלוגי מקטין את הזרם הזורם דרך נורית LED וגורם לשינוי בצבע האור שהיא מפיקה על פני טווח העמעום. לדוגמה, נורית LED המפיקה אור כחול-לבן במצב של זרם מלא עלולה להפיק אור בגוון שהוא יותר צהוב-לבן בזרמים נמוכים יותר.

בעמעום ספרתי, (למשל באמצעות PWM) שרשרת נוריות LED מועברת ממצב פועל למצב כבוי, על ידי טרנזיסטור FET שגורם “לקצר” על פניהם, או שהיא מנותקת מחיבור ההארקה על ידי חיבור נגד חישת זרם במקביל לטרנזיסטור FET. באופן כזה, הזרם נשאר קבוע דרך נוריות LED, אך הן נראות מעומעמות מפני שהן במצב פועל רק בחלק מהזמן. היתרון בכך הוא שהצבע שלהן לא ישתנה על פני כל הטווח של העמעום.

לנוריות LED כמו אלה בסדרת HiVo של Everlight יש טווח מתחי Vf המתאימים למתח של 110 וולט חילופין ולמתח של 220 וולט חילופין. שימוש בשתי נוריות המתאימות ל–220 וולט חילופין בטור מבטיח שאפשר להתאים לכל מתחי הכניסה (מ–90 עד 277 וולט חילופין) עם התכנון של העלאת המתח לתיקון גורם ההספק. חיבורן בטור או במקביל מספק את הגמישות הדרושה כדי לכסות קונפיגורציות רבות של הספק ושל מתח.

סיכום

לסיכום, לנוריות LED מסוג HVHB יש יתרונות בעת שמזינים אותן בקןנפיגורצית העלאת המתח עם תיקון גורם ההספק, לרבות גודל קטן, גורם הספק גבוה, נצילות גבוהה, עלות נמוכה ומורכבות נמוכה. כל היתרונות האלו מאפשרים יצירת פתרון תחרותי מאוד ומתאים לשימוש, בהשוואה לפתרונות תאורה בנורות CFL שזמינות כיום בשוק.

אודות המחבר

דייב פריסקאק הוא מנהל יחידת היישומים המערכתיים בצוות העולמי לפתרונות ציוד הקצה בחברת טקסס אינסטרומנטס. דייב קיבל את התואר BSET מהמכללה הטכנולוגית ETI שבקליבלנד, אוהיו בארה”ב