درایورهای های جدید LED

چکیده: درایورهای LED خطی به دلیل معماری ساده وکم‌هزینه بودن ساخت آن‌ها، سر و صدای زیادی در صنعت روشنایی به پا کرده‌اند. در این مقاله شما را با مزایا و معایب منابع تغذیه خطی‌ای که برای کاربردهای روشنایی LED طراحی شده‌اند آشنا می‌کنیم.

منبع تغذیه خطی یک درایور LED است که از تکنیک‌های خطی و غیرسوئیچینگ برای تنظیم برق یک LED یا مجموعه‌ای از LED ها استفاده می‌کند. درایورهای LED خطی به دلیل معماری ساده، عملکرد کم نویز، تعداد قطعات کم و کاهش اندازه مدار، در صنعت روشنایی مورد استقبال فراوانی قرار گرفته‌اند.

با این‌حال، در عمل این فناوری صنعت نورپردازی LED را به سمت افراط ناخوشایندی سوق می‌دهد. تنظیم بار خطی، تا حد زیادی به دلیل هزینه آن محبوب بوده است. تولیدکنندگان محصولات روشنایی سطح پایه، این فناوری را به عنوان برگ برنده‌ای برای تضعیف رقبای خود می‌دانند. امروزه محصولات نورپردازی عمومی‌ای که، از مدارهای درایور ساده استفاده می‌کنند، جایگزینی برای محصولات ارزان و کم‌کیفیت شده‌اند. 

هر فناوری مزایا و معایب خود را دارد. توپولوژی درایور خطی می‌تواند برای تعدادی از کاربردهای روشنایی مناسب باشد. مشکل این است که صنعت، این فناوری را به عنوان یک راه حل جهانی برای کاهش هزینه چراغ‌های LED در نظر می‌گیرد.

درایورهای LED

یک LED زمانی که الکتریسیته از طریق اتصال p-n به سمت جلو در جریان است، نور تولید می‌کند، همانطور که شکل موج سینوسی جریان متناوب (AC)، شامل یک نیم سیکل مثبت و یک نیم سیکل منفی است.

بایاس رو به جلو تنها زمانی ایجاد می‌شود که شکل موج سینوسی در هر نیم‌چرخه مثبت، دارای یک مقدار از پیش تعیین شده، باشد. این به این معنی است که یک LED که به برق شهری وصل شده است، تابش نوری مداوم تولید نمی‌کند. زیرا در نیمه چرخه منفی شکل، موج AC خاموش می‌شود.

 بر این اساس، منابع اولیه‌ای که در دسترس انرژی الکتریکی AC هستند، باید به برق DC تبدیل شوند تا LED های جریان محور بی وقفه کار کنند. علاوه بر این، ولتاژ فوروارد اعمال شده در اتصال p-n باید در یک محدوده عملیاتی ثابت حفظ شود تا LED به طور مداوم کار کند. از آنجایی که LED ها تجهیزات ولتاژ پایینی هستند (ولتاژ فوروارد آنها از 1.5 ولت تا 4.5 ولت متغیر است)، ماژول LED در یک لامپ LED دار، باید با یک بار منطبق عرضه شود.

 به این ترتیب، درایورهای LED، که ولتاژ خطی AC را در پاسخ به نیازهای متغیر LED، به یک جریان ثابت تبدیل می‌کنند، بخش جدایی ناپذیری از هر سیستم روشنایی LED می باشند.

تبدیل AC-DC

در یک فرآیند تبدیل برق AC-DC، یک درایور LED با یکسوسازی ولتاژ شبکه برق AC و تبدیل آن به یک ولتاژ DC رگوله نشده کار خود را آغاز می کند.سپس یک مبدل DC-DC ، ولتاژ DC یکسو شده را دریافت و تنظیم می‌کند تا خروجی مورد نظر را ارائه دهد. 

در این فرآیند، تنظیم بار ارائه شده توسط مبدل DC-DC از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا LED ها باید به طور مداوم با ولتاژ فوروارد از پیش تعیین شده بایاس شوند، تا روشنایی بدون سوسویی ارائه دهند. بسته به نحوه عملکرد، فرآیند می‌تواند در یک مرحله یا چند مرحله اجرا شود. در تبدیل توان DC به DC برای تولید ولتاژ خروجی تنظیم شده، از ورودی تنظیم نشده، از دو تکنیک زیر استفاده می شود: 

• تنظیم سوئیچینگ 
• تنظیم خطی

قبل از ادامه مبحث پیشنهاد می‌شود، مقاله تفاوت منبع تغذیه سوئیچینگ و منبع تغذیه خطی را مطالعه کنید تا با ساختار کلی آن‌ها آشنا شوید. سپس در ادامه به نحوه عملکرد آن‌ها در LED ها می‌پردازیم.

چگونه یک درایور LED خطی کار می‌کند

یک درایور LED خطی معمولی شامل یک یکسو کننده پل تمام‌موج، یک فیلتر پایین‌گذر و یک رگولاتور خطی است.در ابتدا برق AC به برق DC تبدیل می‌شود و سپس توسط یک فیلتر پایین‌گذر صاف می‌شود تا به ولتاژ DC پیوسته با جریان موج‌دار کم برسد.

ولتاژ تصحیح و فیلتر شده یک رگلاتور خطی را تغذیه می کند. این رگولاتور از یک ولتاژ مرجع داخلی، یک تقویت کننده خطا، یک تقسیم‌کننده ولتاژ فیدبک و یک ترانزیستور عبوری تشکیل شده است.

تقویت‌کننده خطا به طور مداوم تفاوت بین ولتاژ مرجع و ولتاژ فیدبک که توسط تقسیم کننده ولتاژ مقاومتی ارائه شده است را، مقایسه می‌کند.

ترانزیستور عبوری در ناحیه خطی، به گونه‌ای عمل می کند که با استفاده از تقویت‌کننده خطا، ولتاژ ورودی را به خروجی مورد نظر تنظیم کند. در عمل، یک رگولاتور خطی برای هدایت رشته‌ای طولانی از LED های سیمی در نظر گرفته شده است. این رگولاتور خطی اغلب دارای رگولاتورهای جریانی متعددی است که گام به گام با ولتاژ و جریان‌های متفاوت تنظیم می‌شوند. گام‌های ولتاژ و جریان برای اولین رگولاتور بزرگ و برای آخرین رگولاتور کوچک است.

 این باعث می‌شود عملکرد LED تقریباً در فاز  سینوسی با ولتاژ خط برق باشد، بنابراین یک ضریب توان بالا (PF) و اعوجاج هارمونیک کم (نسبت به کل) به دست می آید.

رگولاتورهای خطی LDO

درایور LED خطی بسیار شبیه به درایور LED سوئیچینگ Buck است زیرا هر دو منبع تغذیه کاهنده هستند. در مدارهای باک، افت ولتاژ در رگولاتور نمی‌تواند بیش از 15 درصد ولتاژ ورودی باشد. رگولاتورهای خطی نیز نمی‌توانند ولتاژ دیفرانسیل ورودی به خروجی بالایی داشته باشند زیرا این امر باعث می‌شود رگولاتور مقدار قابل توجهی توان را تلف کند. رگولاتورهای خطی دارای حداقل ولتاژ دیفرانسیل ورودی به خروجی هستند که ولتاژ افت خروجی نامیده می‌شود و در آن رگولاتور در مواجه با کاهش بیش از حد ولتاژ ورودی، از کار می‌افتد. در حالت ایده‌آل، ولتاژ افت خروجی یک رگولاتور خطی باید تا حد امکان کم باشد تا از راندمان بالای مدار و بار حرارتی کم اطمینان حاصل شود. همانطور که از نام آن پیداست، یک رگولاتور کم افت (LDO) می‌تواند ولتاژ خروجی را حتی زمانی که اختلاف ولتاژ بین ورودی و خروجی آن بسیار کم می‌باشد، تنظیم کند.

خصوصیات طراحی

رگولاتور خطی خصوصیات طراحی‌ای دارد که باید در نظر گرفته شود، این خصوصیات شامل ولتاژ سربار، جریان ساکن، تنظیم بار (LDR)، تنظیم خط (LNR)، خطای بهره‌وری (GE)، نسبت رد منبع تغذیه (PSRR)، پاسخ گذرا، دقت DC، زمان راه‌اندازی و پایداری، می‌باشد.

معماریقطعه عبور دهنده می‌تواند بر ولتاژ سربار اتاق، جریان ساکن و عملکرد کلی تأثیر بگذارد.

دو نوع عبور دهنده برای LDO وجود دارد:

دستگاه‌های دوقطبی (NPN، PNP) و دستگاه‌های MOS (NMOS، PMOS).

ترانزیستورهای دوقطبی می‌توانند جریان خروجی بالایی را برای ولتاژ منبع داده شده، تولید کنند، اما جریان ساکن آنها متناسب با جریان بار است.

ترانزیستورهای MOS مبتنی بر ولتاژ، افت ولتاژ بسیار کم و حداقل جریان ساکن را ارائه می‌دهند. یک رگولاتور خطی به یک خازن خروجی نیاز دارد تا بتواند بهره را وادار کند که با سرعت کافی خارج شود. ضمن اینکه نیازهای ثابت را در طول بار گذرا برآورده و در عین حال موج خروجی را نیز به حداقل برساند. ظرفیت خازن خروجی و مقاومت سری معادل آن (ESR) نیز بر PSRR تأثیر می‌گذارد. یک خازن با ESR کم و ظرفیت بالا به بهبود PSRR کمک می‌کند.

درایور آن برد (DOB)

پیشرفت سریع فناوری درایورهای خطی، چراغ‌های AC LED بدون درایور را به وجود آورد که اساساً مجموعه LED های DOB هستند.

مادامی که معماری ساده رگولاتورهای خطی به طور قابل توجهی تعداد قطعات و حجم مدارهای درایور را کاهش می‌دهد، بسته‌بندی مدارهای مجتمع اجازه می‌دهد تا آرایه‌های سوئیچ با ولتاژ بالا، به راحتی بر روی همان برد مدار چاپی (PCB) مانند LED ها نصب شوند.

آی‌سی‌های کوچک درایورهای خطی‌ای که روی سطح نصب شده‌اند، با تنظیم کننده‌های سوئیچینگ که دارای اجزای بزرگ و واکنشی هستند، بر محدودیت‌ها غلبه می‌کنند. بنابراین نمی‌توان آنها را روی یک برد LED PCB که دارای هسته فلزی با ساختار مسی یک طرفه می‌باشد (MCPCB)، نصب کرد.

در منابع تغذیه خطی، ولتاژ خروجی به سادگی به عنوان گرما دور ریخته می‌شود. بدیهی است که یک برد مدارچاپی از جنس FR4 که برای نصب مدارهای SMPS استفاده می‌شود، در ایجاد یک مسیر حرارتی کارآمد برای دفع گرمای اتلافی ناکام خواهد بود.

فناوری Driver-on-board به آی‌سی‌های درایور اجازه می‌دهد تا مسیر حرارتی یکسانی را با LED ها به اشتراک بگذارند و در نتیجه نیاز به مدیریت حرارتی اختصاصی درایور را از بین ببرند.

به این ترتیب، DOB به بهترین ورودی برای فناوری درایور خطی تبدیل می‌شود، زیرا به طراحان لامپ این امکان را می‌دهد، تا یک چراغ سبک با مشخصات ظاهری ساده و در عین حال درایوری کم هزینه بسازند.

مزایا و کاربردها

راه‌حل‌های LDO ارزان و ساده هستند. این جذاب‌ترین جنبه این فناوری است. بنابراین تولیدکنندگان روشنایی مشتاقند هر زمان که توانستند از درایورهای LED خطی در محصولات خود استفاده کنند. به طور کلی، برای استفاده در محصولات روشنایی که در آن کیفیت نور اولویت اصلی نیست، اما هزینه محصولات به شدت مورد توجه است، درایورهای LED خطی می‌توانند یک راه‌حل عالی باشند.

عدم وجود تشعشع EMI یک مزیت فنی مهم برای درایورهای LED خطی است. این ویژگی به چالش‌هایی که در کاربردهای نورپردازی پزشکی، هوانوردی و خودروها با آن مواجه هستند، می‌پردازد، جایی که الزامات EMI بسیارحساس است.

درایورهای LED خطی ذاتاً قابل اعتمادتر از درایورهای LED سوئیچینگ هستند. درایورهای LED سوئیچینگ از خازن‌های الکترولیتی برای جذب نوسانات ولتاژی که، ممکن است در خط AC وجود داشته باشد استفاده می‌کنند. خازن‌های الکترولیتی مستعد خرابی زودرس در دماهای محیطی بالا هستند که قابلیت اطمینان مدار را کاهش می‌دهد. درایورهای LED خطی به جای استفاده از دستگاه ذخیره انرژی انبوه، از آی‌سی‌های درایور حالت جامد برای تنظیم بار استفاده می‌کنند.

اکثر درایورهای LED خطیبا همان دیمرهای قدیمی با تریاک بدون هیج مدار تنظیم دیگر کار می کنند. این درایورها فاقد اجزای واکنشی( این اجزا بار راکتیو را به کاهنده‌های نور مقاومتی وارد‌می کنند) مانند سیم‌پیچ‌ها و خازن‌ها هستند، در نتیجه باعث ناسازگاری می‌شوند.

چالش های طراحی

علیرغم تمام مزایایی که راه‌اندازی LEDها با استفاده از تنظیم‌کننده‌های خطی دارند، طراحی یک درایور LED خطی یا یک چراغ DOB شامل سازش‌های متعددی است. زیبایی این فناوری در سادگی آن نهفته است. هنگامی که ویژگی‌های بیشتری از جمله نورپردازی با کیفیت بالاتر و یا رعایت دقیق کد الزامی باشد، فناوری درایور خطی عظمت خود را از دست می‌دهد. مزایای درایورهای LED خطی با هزینه‌های زیادی به دست می‌آید.

ایمنی برق

در منابع تغذیه سوئیچنگ، می‌توان یک ترانسفورماتور فرکانس بالا با سیم‌پیچ اولیه و ثانویه را وارد کرد تا ولتاژهای خطرناک را مسدود کند. از سوی دیگر، درایورهای LED خطی از طریق مدار کنترل، دارای مسیر افت ولتاژ بالا هستند. یک لامپ LED که توان آن توسط یه درایور خطی کنترل میشود به عملکرد عایق بدنه خود متکی است، که این خود یک نگرانی جدی ایمنی است.

بهره وری و اتلاف گرما

عملکرد یک آرایه LED با درایورهای LED خطی به این معنی است که همیشه یک افت ولتاژ وجود دارد. یک افت ولتاژ زیاد نه تنها به معنی راندمان ضعیف است، بلکه باعث افزایش تنش حرارتی به سیستم روشنایی می‌شود، زیرا نیروی الکتریکی اضافی به شکل گرما تلف می‌شود.

در نتیجه، یک سیستم روشنایی LED که در این حالت کار می‌کند مستلزم یک ظرفیت حرارتی اضافی برای تطبیق شار حرارتی از مدار درایور است.

سوسو زدن

ضریب قدرت

برای کم کردن موج جریان بالا، ممکن است از یک خازن بزرگ در سمت اولیه استفاده شود. این حالت می‌تواند ضریب توان را کاهش دهد زیرا توان راکتیو که توسط دستگاه ذخیره انرژی کشیده می‌شود، شکل ریپل جریان اصلاح شده سمت اولیه را، مخدوش می‌کند. ضریب توان نیز می‌تواند تحت تأثیر کنترل شدت نور غیر مقاومتی قرار گیرد. لامپ‌های LED با توان بیش از 5 وات باید حداقل ضریب توان 0.7 داشته باشند و PF همه منابع تغذیه LED با توان بیش از 25 وات باید بیشتر از 0.9 باشد. اغلب اوقات طراحان لامپ باید بین کنترل سوسوزدن و انطباق با PF، انتخاب سختی داشته باشند.

محدوده ولتاژ ورودی

برخلاف منابع تغذیه سوئیچینگ که می‌توانند برای پذیرش ولتاژ ورودی AC جهانی (مانند 100 تا 277 VAC) طراحی شوند، منابع تغذیه خطی، محدوده ولتاژ تغذیه‌ی بسیار محدودی دارند زیرا نمی‌توانند ولتاژ خروجی را افزایش دهند.

منبع مقاله استفاده شده:

https://www.manufacturer.lighting/info/188/