מאת: Erhard Muesch, ZMDI. תקציר: העובדה שנורות ליבון מפיקות יותר מ-95 אחוזים של חום ופחות מ-5 אחוזים של אור “נראה”, הפכה כיום לאמת ידועה, ומאחר שהמודעות לנושאים אקולוגיים התפשטה והתרחבה באופן משמעותי במהלך השנים האחרונות, אמצעי תאורה חלופיים, כגון נורות פלואורוסנטיות קומפקטיות, מציעים חלופות בעלות נצילות גבוהה יותר. ואולם, להתקנים אלו יש צורך בשלב חימום בטרם יגיעו לבהירות הנומינלית שלהם, ופעולות של כיבוי והדלקה תכופות משפיעות במידה מכריעה על אורך החיים שלהם. מילת הקסם כיום היא “נוריות LED לבנות”, אשר מציגות מספר לא מבוטל של יתרונות: נצילות הארה גבוהה, עוצמת הארה מיידית, אורך חיים ארוך מאוד, עמידות מכנית גבוהה, הן חסרות רגישות לפעולות של כיבוי והדלקה, טמפרטורת הפעולה שלהן נמוכה והממדים שלהן קטנים – וכל אלו מעניקים דרגה מרבית של חופש למתכנן המנורה.
טמפרטורות גבוהות (בסדר גודל של 100 מעלות צלזיוס) מקצרות את אורך חיי נורית LED באופן משמעותי, ולכן טמפרטורת עבודה נמוכה הופכת להיות גם היא אתגר טכני. לדחיפת נוריות LED ממתח קו אספקת החשמל נדרש התקן עומס (ballast) אלקטרוני, והאמצעי הראשון שיש לנקוט על מנת להימנע מהעמסת חום שאינה נחוצה הוא להגיע לנצילות גבוהה של התקן העומס.
אפשר למצוא כיום מגוון של פתרונות למימוש בקרה בעלת נצילות גבוהה של נוריות LED, אך אין בנמצא פתרון יחיד שעומד בכל הדרישות של כל היישומים השונים. מאמר זה מציג שתי דוגמאות להקטנת פיזור ההספק של מעגל דחיפת נוריות LED, עד למינימום: ממיר מוריד (Buck) עם “ממיר עזר” לאספקת המתח למעגל המשולב, וממיר מעלה (Boost) עבור שרשרות ארוכות של נוריות LED, אשר מבקר את ההספק של הנוריות תוך כדי כך שהוא מספק תיקון גורם הספק מבקר יחיד. בשני הפתרונות נעשה שימוש באותו מעגל משולב של ספק כוח אוניברסלי ממותג.
ספקי כוח ממותגים לבקרה על נוריות LED
הזרם משתנה במהירות עם המתח הקדמי על פני נורית LED שנמצאת באזור הפעולה שלה, לכן מומלץ להשתמש בבקרת זרם קבוע במקום בבקרת מתח קבוע. אפשר להשתמש במקורות זרם ליניאריים, אך פיזור ההספק הופך להיות גבוה ביותר כאשר מתח האספקה גבוה יותר באופן משמעותי מהמתח הקדמי של נורית LED (או השרשרת). ספק כוח ממותג עם יציאת זרם קבוע, הוא הבחירה הטובה ביותר המאפשרת לקבל את הנצילות הגבוהה ביותר של המערכת. ועדיין יש צורך להתאים את הטופולוגיה של הממיר ואת הרכיבים שנבחרו לדרישות המסוימות של היישום.
דוגמה 1: ממיר מוריד עם “ממיר עזר לאספקת מתח”
הפתרון הפשוט ביותר לבקרת נוריות LED ממותגת בזרם קבוע הוא הממיר המוריד או ממיר מסוג Buck כפי שמוצג באיור 1. הדרישה הבסיסית היחידה היא שמתח האספקה יהיה גבוה יותר מהמתח הקדמי של שרשרת נוריות LED. מעבר לפשטות, הממיר המוריד מתאפיין בכמה יתרונות נוספים:
בקרת זרם קבוע, בלי צורך בחוג בקרה באמצעות מיתוג זרם שיא וזמן כיבוי קבוע.
הזרם הממוצע וזרם האדוות (ripple) תלויים במידה רבה מאוד במתח האספקה.
אין צורך בהגנה לפעולה ללא עומס במעגל פתוח.
היישום הבסיסי של ממיר מוריד מכיל מסנן לקו האספקה בכניסה לצורך תאימות EMC, מיישר עם קבל מעקף, סליל השראה (משרן) בטור (L), טרנזיסטור מיתוג עם דיודת הגבלת זרם (free wheel diode), נגד מקבילי (shunt) לצורך חישת הזרם ומעגל משולב (IC) המשמש לבקרה עם יצירה של מתח אספקה. כל אחד מהרכיבים המוצגים באיור 1 מפזר הספק:
במסנן הקו, פיזור ההספק נקבע בעיקר על ידי ההתנגדות של סליל (או סלילי) ההשראה:
Pdiss = (i² Rdc) dt
:מיישר הגשר
Pdiss = 2 Vd Iav
:סליל ההשראה
Pdiss ILED² Rdc
קבל אספקת המתח הישר:
Pdiss = Isw,eff² RESR
:דיודת הגבלת הזרם
Pdiss = Vd ILED (1 – dav)
:נגד ההספק
Pdiss,stat ILED² Rds,on dav
Pdiss,dyn Qd Vdc,av fs
:הנגד המקבילי (shunt)
Pdiss Vsense ILED dav
:המעגל המשולב המשמש לבקרה
Pdiss Vdc,av Icrl,av
לרבות נגד האספקה הטורי.
כאשר: Pdiss: פיזור ההספק, Pdiss, stat: פיזור הספק סטטי, Pdiss, dyn: פיזור הספק דינמי (תופעות מעבר), Rdc: התנגדות בזרם ישר, RESR: התנגדות טורית שקולה, Vd: מתח קדמי של הדיודה, ILED: זרם ממוצע של נוריות LED, dav: מחזור עבודה (duty cycle) ממוצע של המיתוג, Iav: זרם ממוצע של אספקת המתח הישר : התנגדות בין חיבור drain לחיבור source במצב הולכה, Qd: מטען חיבור drain, fs: תדירות המיתוג, Vsense: מתח הייחוס של חישת הזרם, Vdc, ac: מתח האספקה הישר הממוצע, Icrl, av: זרם האספקה הממוצע למעגל הבקרה.
מבט כללי זה מכיל כמה הפשטות, כמו למשל העובדה שהמתח הקדמי של הדיודה קבוע, או שימוש בערכים ממוצעים של הזרמים במקום בערכים היעילים שלהם כאשר קיימות אדוות זרם, וכן הזנחה של כמה קיבולים פרזיטיים קטנים. עם זאת, ערכים אלו יכולים לספק אותנו כנקודת התחלה. אם כך, היכן “הכפתורים המיועדים לסיבוב”, הערכים שאפשר לכוונן בתהליך האופטימיזציה?
הטופולוגיה של נוריות LED היא זו בעלת ההשפעה הגדולה ביותר. עבור הספק מוצא נתון, שרשרת ארוכה של נוריות LED עם מתח קדמי גבוה וזרם נמוך מספקת נצילות טובה יותר מאשר פתרון שבו מתח נמוך וזרם גבוה (כמו למשל כאשר מחברים נוריות LED במקביל). הסיבה לכך נעוצה בעיקר בדיודת הגבלת הזרם ובטרנזיסטור המיתוג. אפשר היה לשער שסליל ההשראה, עם ההתנגדות שלו לזרם ישר, תורם אף הוא באותו הכיוון, אך זרם גבוה יותר מאפשר אדוות זרם גדולות יותר, ולכן גורם להשראות נמוכה יותר, וזו עולה יפה עם ההתנגדות לזרם ישר. אפשר להקטין את הפסדי סליל ההשראה רק על ידי שיפור החומר של ליבת הסליל או באמצעות הגדלת הסליל.
עומס זרם החילופין של קבל ספק המתח הישר יקטן אף הוא כאשר זרם המיתוג, וכתוצאה מכך גם אדוות הזרם, יהיו קטנים יותר, ויובילו לפיזור הספק נמוך יותר על ההתנגדות הטורית השקולה שלו.
באשר לטרנזיסטור, קיימים פרמטרים שונים שיש לקחת אותם בחשבון: התנגדות Rds, on נמוכה מקטינה את הפסדי ההולכה במשך הזמן שהטרנזיסטור במצב הולכה (on), אולם לרוע המזל היא מופיעה יחד עם מטענים גבוהים יותר בחיבור gate ובחיבור source. בהנחה שהיכולת של חיבור drain בטרנזיסטור להעביר את זרמי המעבר (transient) גבוהה באופן משמעותי מהזרם של נוריות LED, ושזרם דחיפת חיבור gate שמספק המעגל המשולב המשמש לבקרה גבוה לפחות במשהו מהזרם של נורית LED, פיזור ההספק הדינמי של הטרנזיסטור נקבע בעיקר על ידי פריקה של קיבול חיבור drain שלו ועל ידי תדירות המיתוג. קיבול חיבור drain הוא פונקציה לא ליניארית של מתח חיבור drain, והנתון שאפשר למצוא בדפי הנתונים, בדרך כלל, הוא הערך של מטען חיבור drain במתח נתון בין חיבור drain לחיבור source. ערך זה לא ממש מספק מאחר שהוא אינו כולל מידע כלשהו לגבי התלות במתח, אבל לצורך הערכה ראשונה הוא יכול להספיק. מכאן אפשר לחשב את פיזור ההספק הדינמי כמכפלה של מטען חיבור drain במתח הישר הממוצע ובתדירות המיתוג הממוצעת. כל עוד המתח הקדמי של שרשרת נוריות LED נמוך בהשוואה למתח האספקה הישר (לדוגמה 10 נוריות LED עם 35 וולט), מחזור העבודה של המיתוג יהיה קטן, ופיזור ההספק הסטטי הממוצע של הטרנזיסטור יישאר נמוך גם עם התנגדות Rds, on גבוהה יחסית. מאחר שהמטרה אמורה להיות הקטנת צריכת ההספק הכוללת (סטטית ועוד דינמית), התוצאה יכולה בקלות להוביל לשימוש בטרנזיסטור קטן, עובדה שיכולה גם לחסוך בעלויות.
ההיבט השני של פיזור ההספק שנגרם על ידי הטרנזיסטור קשור למעגל דחיפת חיבור gate. זרם ממוצע נתון על ידי המכפלה של מטען חיבור gate בתדירות המיתוג. אם זרם האספקה עבור הבקרה, הכולל את זרם דחיפת חיבור gate, נגזר ישירות ממתח האספקה הישר, פיזור ההספק הכולל יהיה המכפלה של הזרם והמתח האלו. במיוחד ביישומים הפועלים ממתח חילופין של 230 וולט, פיזור הספק זה יכול להיות גבוה למדי.
קיימות הצעות להקטנת הספק זה על ידי שימוש בשנאי במקום בסליל ההשראה הטורי, והפעלה של המעגל המשולב לבקרה במתח מהסליל המשני. בדרך כלל, שנאים הם התקנים ייעודיים ליישום, וכתוצאה מכך הם יקרים יותר מאשר רכיבים סטנדרטיים. איור 2 מציג פתרון חלופי שבו נעשה שימוש בסליל השראה נוסף, אם כי קטן ביותר, אשר משמש לאספקת המתח למעגל המשולב לאחר שהתחיל לפעול.
בניגוד לממיר “העיקרי”, “ממיר עזר” זה פועל במצב “הולכה בלתי רציפה”, כלומר, במהלך זמן הכיבוי של הטרנזיסטור האנרגיה של סליל ההשראה מתפרקת במלואה אל תוך קבל אספקת המתח של המעגל המשולב. האנרגיה המסופקת נתונה במשוואה הבאה:
W = ½ Ipeak • La • fs
כאשר: Ipeak: זרם המיתוג, La: השראת העזר.
כמה מיקרו הנרי בודדים מספיקים בדרך כלל כדי לספק כמה מילי אמפר למעגל הבקרה.
לפני שממיר העזר יכול להתחיל לפעול, יש לספק מתח למעגל המשולב. מעגל התנעת ההפעלה ממומש עם DIAC (המשמש בדרך כלל בעמעמי TRIAC), אשר מתחיל לפעול כאשר המתח על פני הקבל C1 עולה על מתח העירור שלו שהוא 30 ~ 35 וולט. הקבל C1 מתפרק במצב זה לתוך הקבל C2 ומספק מתח לפי יחס הקבלים, מתח שהוא גבוה מספיק להתחיל את פעולת הממיר. אפשר לשמור את פיזור ההספק בנגד הטורי Rs בערך נמוך מאוד ועדיין המעגל יפעל בטווח רחב של מתחי אספקה עם השהיית הפעלה קצרה.
דוגמה 2: ממיר מעלה (boost) עם תיקון גורם הספק
תיקון גורם הספק (PFC) נדרש בחוק על ידי הרשויות עבור ציוד תאורה שיש לו הספק של 25 וואט או יותר. ואולם, אפילו בהספק נמוך יותר הגיוני להשתמש לפחות בסוג בסיסי של שיפור צורת הגל של הזרם, בהתחשב בעובדה שבעתיד מספר התקני התאורה המבוקרים באופן אלקטרוני יעלה באופן חד. מעגל “מילוי עמקים” (valley fill) המוצג באיור 3 הוא מעגל תיקון גורם ההספק הפסיבי הבסיסי ביותר. צורת הגל לא נראית כלל כגל סינוס, אבל זמן ההולכה של המיישר גדל באופן משמעותי והתכולה ההרמונית קטנה בהתאם. למרות ששלוש הדיודות הנוספות גורמות לפיזור הספק נוסף, הנצילות של המערכת יכולה להשתפר בזכות שתי סיבות:
1. המתח הישר הממוצע נמוך יותר, ולכן הוא גורם להקטנת הפסדי המיתוג בטרנזיסטור ההספק.
2. ההפסדים במסנן הקו פוחתים, בזכות התכולה ההרמונית, שהיא יותר קטנה, בזרם.
באיור 3a ו-b מוצג זרם הקו של עומס נוריות LED עם קבל מעקף יחיד ועם מעגל “מילוי עמקים” בהתאמה. עבור דירוגי הספק גבוהים יותר, לא די בגישה זו. מומלץ להשתמש במעגל אקטיבי של תיקון גורם ההספק כדי להימנע מרכיבים פסיביים מגושמים. אפשר להגיע לקירוב טוב של זרם סינוסואידלי על ידי שימוש בממיר מעלה (boost) עם זמן הולכה (on) קבוע, הפועל במצב הולכה קריטית. זרם השיא של המיתוג יהיה יחסי למתח האספקה הרגעי, והטרנזיסטור יעבור שוב למצב הולכה אחרי גילוי חציית האפס של הזרם בסליל ההשראה. צורת הזרם היא משולש והזרם הממוצע בזמן המיתוג הוא מחצית זרם השיא. כתוצאה מכך, ההספק הממוצע בכניסה קבוע בלי תלות במתח המוצא.
בדרך כלל, מחברים ממיר נוסף שמספק זרם לנוריות LED ומקבל את אספקת המתח שלו מהמוצא של הממיר, לתיקון גורם ההספק. גישה שונה אפשרית למימוש כאשר המתח הקדמי של שרשרת ארוכה של נוריות LED יהיה תמיד גבוה ממתח השיא המרבי של הקו. עבור מתח חילופין של 230 ± 15% וולט, מתח השיא הגבוה ביותר הוא 374 וולט. כמינימום נדרשות 120 נוריות LED המחוברות בטור, כמות רבה למדי, אם כי לצורך הארה אחידה של אזורים נרחבים, בהחלט הגיוני להשתמש בכמות כזו. השימוש בשבבים של ריבוי נוריות LED מקטין את המספר הזה, למשל חיבור 4 שבבים בטור יוצר חיבור של 30 נוריות LED שבהן אפשר להשתמש כתחליף לנורה פלואורוסנטית. במקרה כזה המוצא של הממיר לתיקון גורם ההספק יכול לדחוף ישירות את שרשרת נוריות LED ובכך נחסך הצורך בממיר השני. המוצא חייב להיות בזרם קבוע או בהספק קבוע במקום במתח קבוע.
המעגל המוצג באיור 4 ממומש עם בקרה בחוג פתוח, אשר מאפשרת יציבות מצוינת. מתח השיא באספקה מאוחסן בקבל C1 והוא מוזן לפנים כדי לשמור את הזרם של נוריות LED קבוע. תלות המתח אינה ליניארית, אך בעזרת קביעה מתאימה של הפיצוי הליניארי הזה, אפשר להגיע לשינויים של פחות מ-1% עם אפיצות (טולראנס) של ±15% במתח הקו.
הגילוי של חציית האפס על ידי הזרם בסליל ההשראה נעשה באמצעות המתח על פני הנגד Rshunt ולכן, לא נדרש שנאי. דיודה המחוברת במקביל מגבילה את פיזור ההספק לפחות מ-100 מילי וואט.
לכל ממיר מעלה נדרשת הגנה מפני מתח יתר, מאחר שבמקרה שהעומס פתוח המתח במוצא יעלה עד אשר תהיה תקלה באחד הרכיבים. המחלק R1/R2 מזין לאחור את מתח המוצא, על מנת לכבות את הממיר כאשר יש חריגה ממתח של כ-500 וולט.
גישת הממיר היחיד מציעה תיקון גורם הספק בשילוב עם נצילות מצוינת בעלות נמוכה. כמה מספרים יכולים להיות דוגמה לכך:
120 נוריות LED () המופעלות בתנאים אופייניים של 400 וולט ו-80 מילי אמפר, צורכות 32 וואט
צריכת ההספק: Pin = וואט, הנצילות – , גורם ההספק (PF)=המשרעת (אמפליטודה) של ההרמוניה השלישית קטנה מ-3%.
מסקנות
טופולוגיה של נוריות LED ובחירה בספק הכוח הממותג המתאים ביותר. קובעים את נצילות המערכת של תאורת נוריות LED המוזנת מקווי החשמל. אפשר לממש ארכיטקטורות רבות ושונות באמצעות בקר-ממיר מתח ישר למתח ישר אוניברסלי, על מנת להגיע לביצועים מיטביים ובעלות נמוכה, עבור כל יישום. שתי הדוגמאות המוצגות במאמר זה מציגות פתרונות לתחליפים של נורות ליבון במקרה הפשוט, ובקרה של רצועות ארוכות של נוריות LED הכוללת תיקון גורם ההספק לצורך הארה של אזורים נרחבים או כתחליף של נורות פלואורוסנטיות במקרה המורכב. בעזרת התקן דומה אפשר יהיה לתת מענה גם לדרישות נוספות רבות.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת TRITECH
