Принципы работы диммеров

Опубликовано ср, 10/19/2016 - 17:10 пользователем Людмила Иванова

С самого начала стоит подчеркнуть, что в данной статье описываются диммеры, используемые в жилых помещениях. Мы не станем рассматривать мощные сценические диммеры, а также концентрировать внимание на обсуждении систем умного дома С-bus или других систем домашней автоматизации. Несмотря на то что между продукцией высокого и низкого качества есть много общего, процесс автоматизации по природе своей является почти полностью цифровым и может быть выполнен несколькими разными способами, причем конечный результат одинаков. 

Существуют две основные категории традиционных диммеров переменного тока: обычно их делят на светорегуляторы, срезающие передний фронт, и те, которые срезают тыл. Оба указанных диммера отлично работают при активной нагрузке, которую создают, к примеру, светильники с лампами накаливания. Однако при использовании ламп с электронными компонентами к выбору схемы управления стоит подходить более тщательно. Кое-где, возможно, все еще применяются устаревшие (и крайне неэффективные) реостатные диммеры, а также светорегуляторы на основе автотрансформаторов. Но, поскольку они не являются стандартными и уже точно не будут ими в будущем, в описании подобных диммеров я коснусь только их общих особенностей.

Сейчас при организации низковольтного освещения часто используются электронные трансформаторы. Они приобрели популярность из-за низкой стоимости и сравнительной эффективности. Однако по подобным устройствам довольно сложно найти какую-либо полезную и правдивую информацию. В сети можно найти несколько схем самых простых диммеров (срезающих передний фронт), а также информацию по электронным трансформаторам, но практически ничего о светорегуляторах, отсекающих тыл, и принципах их работы. 

 Все графики и расчеты, приведенные в настоящей статье, рассчитаны для сетей питания 50 Гц, 230 Вольт AC. С учетом этой информации нетрудно будет рассчитать напряжение и частоты для других источников питания. Это было сделано для упрощения описания, поскольку основные принципы работают для любых показателей частоты и напряжения. Большинство приведенных графиков построены не путем прямого измерения, а с помощью моделирования. Это упрощает процесс создания графиков и позволяет провести их более детальный анализ, выявить коэффициент мощности и искажение. Если бы мы решили прибегнуть к реальным измерениям, нам бы потребовалось куда больше времени на подготовку, а результат при этом остался непредсказуем из-за коэффициента искажения формы кривой напряжения, колебаний напряжения источника питания и внешних помех/искажений.

Наконец, существуют диммеры, работающие только в цепях постоянного тока. Раньше подобные светорегуляторы были редкостью (или использовались только для управления скоростью электродвигателей постоянного тока), но теперь они получили второе рождение и применяются для организации светодиодного освещения. Дроссели состоят из импульсных источников питания постоянного тока, модифицированных с целью обеспечения непрерывного тока, необходимого для питания светодиодов. Уменьшение силы света достигается путем организации цикла включения/выключения постоянного тока, что сокращает потери.  

Коэффициент мощности. Для обозначения графиков с небольшим или нулевым искажением шкалы напряжения и хорошим коэффициентом мощности я буду использовать термин «дружественный». У многих складывается впечатление, что коэффициент мощности следует учитывать, только имея дело с индуктивной или емкостной нагрузкой, что в корне неверно. Любая кривая тока, которая не является точной копией кривой напряжения, имеет коэффициент мощности меньше единицы (в идеале). И не имеет значения, если кривая тока просто сдвинута по фазе или не линейна, коэффициент мощности все равно затрагивается.

·         Единица – ток и напряжение находятся в фазе и имеют идентичные кривые (показатели активной нагрузки).

·         Сдвиг фаз – из-за индуктивной нагрузки пик тока наступает после пика напряжения (двигатели, трансформаторы). 

·         Опережение по фазе – из-за емкостной нагрузки пик тока наступает до пика напряжения (несвойственно, но такое может случиться и иногда случается).

·         Нелинейность – ток и напряжение находятся в фазе, но их кривые различны (характерно для многих электронных нагрузок). 

Поскольку для получения вольтамперной характеристики показатели тока и напряжения просто перемножаются, становится очевидным, что для последних трех примеров значение указанной характеристики составит 105,8 В-А, а мощность при этом останется прежней – 52,9 Вт. Всякий раз, когда вольтамперная характеристика и коэффициент мощности имеют различные показатели (вольтамперная характеристика не может быть меньше мощности), из сети поступает чрезмерный ток, что вызывает потери в распределительных кабелях, трансформаторах, подстанциях и генераторах. Сталкиваясь с коэффициентом мощности 0,5, генератор мощностью 1 МВт может произвести только 500 кВт, поскольку на его работу влияет вольтамперная характеристика. Все компоненты распределительной электрической сети фактически ограничены вольтамперной характеристикой, а не коэффициентом мощности.

Даже несмотря на то что показатели мощности могут совпадать с заводским диапазоном, указанным на трансформаторе, при превышении вольтамперной характеристики он будет перегреваться. Постоянный перегрев приведет к отказу или сбою в работе оборудования. По этой причине энергосбытовые компании (ЭСК) и/или службы по всему миру уделяют внимание получению наилучшего возможного коэффициента мощности для максимально продуктивной работы оборудования. Для мощных промышленных установок, чей коэффициент мощности не укладывается в оговоренные рамки, даже предусмотрены соответствующие дополнительные штрафы. 

Кривые, подобные тем, что приведены в последнем примере, считаются наихудшим вариантом, поскольку для их корректировки и сокращения нелинейности можно не так уж много сделать. Гармонические колебания частоты напряжения сети проникают в систему, провоцируя дальнейшие проблемы. Полное обсуждение разрушительного действия нелинейных кривых не предусмотрено в рамках данной статьи, но стоит отметить, что во многих странах введены (или готовятся к внедрению) постановления об обязательной компенсации коэффициента мощности для всех электронных нагрузок, превышающих допустимый лимит мощности. 

Принципы работы диммера

Чтобы приглушить лампу, обычно тем или иным способом уменьшают приложенное напряжение. На самом раннем этапе развития подобных приборов для достижения этого результата использовался реостат (переменный резистор), последовательно соединенный с лампой. Это делалось из-за отсутствия какой-либо разумной альтернативы. При таком решении тратится огромное количество энергии. По скромным подсчетам, с момента, как кто-то в последний раз использовал подобного «монстра», прошло не менее 40 лет. Конечно, есть и положительные стороны, поскольку при этом подходе обеспечивается довольно «дружественная» нагрузка на сеть при нулевых коммутационных импульсах и идеальном коэффициенте мощности. Сложность заключается в избыточном перегревании, особенно если речь идет об очень мощных лампах. Из-за необходимости рассеивания тепла реостатные диммеры отличает довольно крупный размер (если вам удастся их найти).

Регулируемый автотрансформатор (известный как вариак™) отличается практическим отсутствием потерь электроэнергии и оказывает такое же щадящее действие на электросеть, как и реостат, но является очень затратным (и громоздким) способом затемнения ламп. Самый дешевый ныне доступный регулируемый трансформатор стоит около $150 и весит несколько килограммов. Хотя, несомненно, описанный подход является отличным вариантом, его трудно применять из экономических соображений.

Еще 20 лет назад диммеры на основе автотрансформаторов широко использовались в телестудиях. Еще одним устройством, использовавшимся в прошлом для схожих целей, был «магнитный усилитель». Из тех экземпляров, что нам удалось найти, ни один не имел широкого хождения, поскольку им на смену быстро пришли другие технологии. Нам не кажется целесообразным в этой статье упоминать о принципах работы магнитных усилителей. 

В настоящее время наиболее распространенными являются диммеры с регулированием фазы, отсекающие передний фронт, сконструированные на основе двунаправленного триодного тиристора. Тиристор – двунаправленный переключатель, для включения которого необходим лишь краткий импульс. В цепи переменного тока он будет автоматически выключаться при смене полярности тока. Это происходит, потому что напряжение (а значит, и ток) проходит через 0. При нулевом токе тиристор не может обеспечивать проводимость и отключается.

Каждую секунду процесс переключения совершается 100 раз (120 раз для сетей частотой 60 Гц). Среди появившихся бытовых диммеров последний тип называется «универсальным». Подобные светорегуляторы в зависимости от нагрузки могут переключаться на отсечение как переднего, так и заднего фронта.

При изменении соотношения между напряжением включения и выключения создается грубая схема широтно-импульсной модуляции, что позволяет менять количество питания, подаваемого на лампу в широком диапазоне. Для этого способа управления идеально подходят лампы накаливания. При этом способе обеспечивается плавный и естественный переход от практически выключенного до полностью включенного состояния. Для большинства тиристорных диммеров используются самые простые схемы, поэтому работа при пониженных настройках может быть нестабильна. При средних настройках эффективное напряжение половины длины волны составляет 162 В при напряжении источника питания переменного тока 230 В.

Независимо от применимого метода целью является варьирование мощности лампы. При этом пользователь должен иметь возможность устанавливать уровень яркости свечения в зависимости от ситуации. Ни один из общедоступных диммеров не может поддерживать хороший коэффициент мощности (что важно для поддержания исправности электросети).

Для стабильной работы должен использоваться трехжильный провод (земля, фаза и ноль). Это необходимо, чтобы точно соблюсти точку перехода через ноль на кривой сети. Небольшие диммеры не делаются с трехжильным проводом, поскольку это бы затруднило их установку. Поэтому с любыми другими нагрузками, кроме активной нагрузки (как в лампах накаливания), подобные диммеры обычно работают плохо и часто сбоят. Серьезность сбоев зависит от типа нагрузки (особенно недостатки заметны при работе с электронными приборами, такими как компактные люминесцентные или светодиодные лампы).

Двухпроводные светорегуляторы не имеют надежной исходной точки перехода через ноль, поскольку заряженные конденсаторы (внутри источника питания лампы) на протяжении практически всего цикла сигнала вырабатывают нулевой ток. Таким образом, диммер не может быть постоянно включен (на полную мощность), потому что до момента срабатывания тиристора должно пройти какое-то время.

Недиммируемые (без регулировки яркости) компактные люминесцентные или светодиодные лампы нельзя подключать к цепи с диммером, даже если он установлен на полную мощность. Хотя это и не очевидно, ток в цепи лампы может резко возрасти (в 5 раз или даже больше), что спровоцирует угрозу возгорания, а также негативно повлияет на срок службы электронных компонентов лампы. 

Даже коммерческие диммеры, которые поддерживают точное пересечение нуля, не следует использовать вместе с компактными люминесцентными и светодиодными лампами или любыми другими конденсаторными источниками входного питания. На одной из установок нам удалось наблюдать, как конечный пользователь добился практически 100% потерь при подключении светодиодных трубок через схему с промышленным светорегулятором. Норма отказов составила приблизительно 1%. При этом поставщики уверяли, что потери провоцирует не диммер.

Единственное, чем отличалась их установка от всех прочих подобных, – это наличие светорегулятора. Таким образом, легко сделать вывод, что именно из-за него и происходили отказы. По странному стечению обстоятельств, проблемы и конечного пользователя, и поставщика диммера заключались в самой концепции. 

Мощные промышленные диммеры часто производятся с применением триодных тиристоров (соединенных параллельно в обратном порядке), поскольку они выдерживают более высокие токовые нагрузки, чем обычные тиристоры. Переключение зачастую провоцируется высокочастотными импульсами, которые обеспечиваются на всем протяжении отрезка сигнала сети, отвечающего за включенное состояние. Трехпроводная конструкция позволяет не допускать потерь при переходе через ноль. Тем не менее, как указано выше, даже подобные светорегуляторы не подходят для работы с нагрузками источников питания электронного типа.

Диммеры, срезающие передний фронт

На данный момент это самые распространенные светорегуляторы. Их название обусловлено тем, что диммер при работе буквально отсекает передний фронт волны переменного тока. Для стандартных бытовых диммеров в качестве активного переключателя с низкой на среднюю мощность практически всегда используется тиристор. При срабатывании тиристора сигнал сети переходит на нагрузку с периодом задержки от 0 (полное включение) до 9 мс (сильное приглушение яркости).

В качестве примера на рис. 3 показана форма кривой напряжения при нагрузке диммера, срезающего передний край, установленного на 50% мощности. Для сравнения первые два цикла, показанные на графике (выделены зеленым цветом), изображают работу без функции затемнения. Настоящий график можно считать «идеальным». Это тот результат, которого можно ожидать от цепи, работающей в точном соответствии с теорией. Функционирование большинства диммеров указанной конструкции близко к идеалу.

Как отмечалось выше, диммеры, отсекающие передний фронт, никогда не следует включать в одну схему с компактными люминесцентными лампами, если о такой возможности четко не сообщается в инструкции, поскольку из-за быстро возрастающего сигнала через основной конденсатор фильтра, являющийся частью балластной цепи лампы, начинает поступать очень большой ток. При использовании большинства современных светодиодных ламп вы столкнетесь с той же проблемой.

Как и в случае с люминесцентными лампами, в инструкции должно быть четко указано, что они совместимы с упомянутыми диммерами. В качестве примера, если электронный балласт потребляет из сети 83 мА, то этого достаточно, чтобы запитать любую лампу с электронным переключением мощностью 8 Вт. Если для повышения коэффициента мощности при этом не используется никакой дополнительной схемы, токовые пики составят 270 мА, а коэффициент мощности будет равен 0,42, что является довольно слабым показателем.

Если ту же самую цепь запитать с помощью диммера, в худшем случае среднеквадратическое значение тока поднимется до 240 мА с пиками в 4,2 A. При этом коэффициент мощности упадет до 0,14, что можно назвать по-настоящему плохим результатом. На данном этапе источник питания лампы потребляет из сети более 55 В-А, что выражается в том, что на выходе мы имеем довольно грубую кривую с острыми участками. 

Представленная выше схема является стандартной для высококачественного диммера, срезающего передний фронт. C1 и L1 – точки подавления радиопомех. Схема работает, используя фазовый сдвиг, создаваемый VR1, C2, R1 и C3. Эта сеть задерживает сигнал, подаваемый на DB1 (диод с двусторонним ограничением – симметричный диодный тиристор). Когда напряжение начинает превышать 30 В (стандартная величина) напряжения пробоя симметричного диодного тиристора, он становится полностью проводимым и заряд на С3 используется для запуска двунаправленного триодного тиристора (триака). После запуска триак будет проводить ток в полном объеме, пока он не опустится ниже нуля, после чего снова отключится. Этот процесс повторяется каждый полуцикл напряжения сети. Точки задержки, включения и выключения показаны на рис. 3.

Диммеры описываемой конструкции никогда не следует использовать с емкостной нагрузкой (большинство схем электронного балласта), поскольку из-за стремительного периода нарастания напряжения на конденсатор начинает сразу же подаваться большой ток. Индуктивные нагрузки (трансформатор с железным сердечником) переносятся довольно хорошо, поскольку индуктивность способствует ограничению времени нарастания тока до безопасных значений (однако см. информацию ниже).

Устройство черного цвета, расположенное слева, – это двунаправленный триодный тиристор (триак). Он оснащен теплоотводом, контакт между ним и триаком лучше всего можно описать как случайный. Надо сказать, что когда этот диммер сняли, в нем не наблюдалось вообще какого-либо контакта, несмотря на то что прибор исправно проработал 12 лет и был, возможно, последним в своем роде, который протянул так долго. Простота схемы очевидна. Использована самая незатейливая плата. Некоторые компоненты имеют сквозные отверстия, а с обратной стороны нет вообще ни одного элемента. Схема практически совпадает с той, что показана выше. Катушка и конденсатор оранжевого цвета предназначены для подавления помех, однако предохранителя не предусмотрено.

В случае короткого замыкания этого светорегулятора лампа просто станет светить на полную мощность. 

Несмотря на то что создатели диммеров, срезающих передний фронт, часто утверждают, что они подходят для использования с трансформаторами с железным сердечником, в некоторых случаях это не так. Наиболее распространенная проблема, возникающая при применении простейших тиристорных диммеров, связана с их переходом на режим «половинной волны». Они начинают проводить только одну полярность формы волны сети. Это катастрофа для любого трансформатора, на который тут же начнет поступать очень большой ток, ограниченный только первичным сопротивлением.

Диммеры, срезающие тыл

Диммер, срезающий задний фронт (их еще называют светорегуляторами с «обратной фазой»), нуждается в более сложной схеме. С данным устройством уже невозможно использовать простейшую схему, которая отлично работала с диммерами, срезающими передний фронт, поскольку большинство двунаправленных триодных тиристоров просто невозможно выключить. Существуют, конечно, двухоперационные тиристоры, но они обойдутся значительно дороже и редко отличаются компактными размерами, что необходимо для наладки освещения. Чтобы правильно организовать работу диммера, срезающего задний фронт, коммутационное устройство нужно настроить так, чтобы оно включалось при прохождении кривой переменного тока через ноль. Для этого используется детектор перехода сигнала через ноль. По истечении заданного регулирующим устройством времени коммутационное устройство выключается, а оставшаяся часть кривой сигнала просто не используется.

 В конструкцию описываемых диммеров часто включены МОП-транзисторы (полевые транзисторы на основе перехода металл-оксид-полупроводник). Причина заключается в том, что для их работы практически не требуется ток управления, а сами по себе они прочны и надежны. МОП-транзисторы относительно дешевы и подходят для использования в рамках диапазона напряжений, выдаваемого электрической сетью. С другой стороны, можно использовать БТИЗ (биполярный транзистор с изолированным затвором), который сочетает в себе преимущества обоих типов, но обойдется он дороже. Необходимо снова подчеркнуть тот факт, что мы рассматриваем идеальную волну, и, если взглянуть на кривую, показанную на рис. 6, очевидно, что между ней и идеальной есть существенные различия, которые особенно заметны на отрезке, отвечающем за полную мощность. Это происходит из-за потери части приложенного напряжения, связанного с необходимостью обеспечения питания сложной электронной схемы. Иначе она просто не будет работать.

Как и в предыдущем примере, на кривой указаны точки переключения и задержки. Нет нужды приводить полную диаграмму цепи указанного светорегулятора, поскольку в их конструкции за выполнение необходимых функций зачастую отвечают специализированные ИС (или сложносочиненные схемы, состоящие их нескольких стандартных). На рис. 6 приведена блок-схема, включающая основные компоненты цепи, а на рис. 7 показана схема диммера, сделанного на основе промышленной ИС.

C1 и L1 – устройства подавления внешних радиопомех. В схеме необходим выпрямитель тока, поскольку МОП-транзисторы не могут переключать переменный ток, только постоянный. Источник питания, детектор перехода сигнала через ноль и таймер, как правило, уже входят в состав специализированной ИС. Показаны сигналы для каждой точки цепи. Выходной сигнал детектора перехода сигнала через ноль сбрасывает таймер, обеспечивая высокий уровень на выходе, и включает МОП-транзистор. После прохождения интервала между 0 и 10 мс для частоты 50 Гц таймер обеспечивает низкий уровень на выходе, МОП-транзистор выключается, и прохождение тока через токоприемник прерывается.

Во многих отношениях рассматриваемые диммеры (срезающие передний и задний фронт) являются полными противоположностями друг другу. 

Из-за довольно низкой скорости возрастания выходного напряжения исчезает проблема большого выброса тока, который диммер, срезающий передний фронт, направляет на емкостную нагрузку. Некоторые затемняемые компактные флуоресцентные и светодиодные лампы отлично работают с подобными диммерами. Однако светорегуляторы, срезающие задний фронт, никогда не следует использовать в связке с трансформаторами с железным сердечником. Как правило, это указывается в инструкции. 

Почему так получается? Казалось бы, диммер, срезающий задний фронт, должен идеально подходить для этих целей. Проблема кроется в обратной ЭДС, которая генерируется, когда переключатель выключается по 100 или 120 раз в секунду. Большую часть времени обратная ЭДС будет безопасно рассеиваться, но при отказе ламповой нагрузки энергии выключения просто будет некуда деться. Наиболее вероятный результатом станет повреждение диммера, поскольку вряд ли промышленные установки смогут рассеять обратную ЭДС без сильного перегрева или поломки. 

Обратная ЭДС образуется при любой индуктивной нагрузке, поскольку индукционная катушка – это элемент, в котором накапливается энергия (реактивный компонент). Энергия сохраняется в виде магнитного поля. При прерывании тока оно разрывается, генерируя в процессе электрический ток. При отсутствии нагрузки (в качестве которой выступает лампа), подсоединенной к индуктивной составляющей, даже малый ток обладает очень высоким напряжением. Это случается регулярно, но обычно эффект рассеивается, что выражается в возникновении небольшой дуги между переключающими контактами. Подобные дуги не наносят вреда, если появляются не более одного-двух раз в день. Но если этот эффект повторяется 100–120 раз в секунду, накапливается существенная средняя мощность.

Как вы видите, при простом взгляде на многоштырьковую ИС невозможно понять, как она работает. Однако всегда полезно посмотреть, как именно сконструирована схема. Естественно, это не единственный способ. Некоторые промышленные диммеры, срезающие задний фронт (такие, как на фото ниже), сделаны с применением многофункциональной ИС и прочих деталей, которые можно увидеть на поверхности платы. Эффект при этом достигается тот же. 

Два крупных устройства на левой плате – это мощные МОП-транзисторы. Обратите внимание, что нижняя часть печатной платы также занята деталями, включая таймер, другую ИС, которую невозможно распознать, четыре транзистора, несколько резисторов и конденсаторов. Изображенное устройство довольно дешево в производстве, однако можно только представить, сколько времени потребуется разработчикам, чтобы создать прибор, обладающий высокой надежностью, и подходящий при этом для стандартного применения. Стоимость такого светорегулятора будет в 3–4 раза выше стандартных диммеров указанной конструкции.

Промышленный диммер, показанный на фото, был протестирован с лампой накаливания мощностью 60 Вт, благодаря чему были получены формы кривых, представленных на графике. Если форма кривой при максимальных настройках отличается от формы идеального сигнала, показанного на рис. 5, то при минимальных настройках (и вплоть до установки средней мощности) теоретические построения и реальный результат практически сходятся. При полной загрузке цепь не может вести себя как при настоящем коротком замыкании, поскольку часть приложенного напряжения идет на питание электронных компонентов. Это вызывает разрыв цепи, который можно наблюдать в области нулевого тока, когда диммер работает на полную мощность. 

Всегда следует помнить о том, что если электронная лампа явно не предназначена для затемнения, подобный диммер не будет работать. Просто ради эксперимента я пытался объединить его в одной цепи со стандартной компактной люминесцентной лампой. Больших выбросов тока не наблюдалось, но лампу было невозможно нормально затемнить, схема отказывалась правильно работать. Это правило в равной степени верно в отношении и компактных люминесцентных, и светодиодных ламп. О том, что они подходят для использования с диммерами, должно быть четко указано в инструкции. Продолжительное использование электронной лампы в одной цепи с диммером может вызвать повреждение схемы, сильный перегрев оборудования или даже спровоцировать пожар.

Коэффициент мощности диммера

Оба типа диммеров обладают одинаковым коэффициентом мощности при той же мощности выходной нагрузки. Ни один из них не позволяет применить какой-либо реальный или полезный способ коррекции коэффициента мощности. Единственным смягчающим фактором является то, что при низких настройках на некоторых отрезках цикла из сети поступает ток, который не используется большинством небольших источников питания. Однако коэффициент мощности все еще оставляет желать лучшего, особенно при низких значениях мощности.

В колонке «угол» проводится градусная мера угла кривой на отрезке питания лампы. Полный цикл составляет 360°, полуцикл – 180°. При частоте 50 Гц использован коэффициент нарастания 18°; 18° эквивалентны интервалу в 1 мс. Это было сделано для упрощения процесса вычислений. Для источника питания частотой 60 Гц данные практически такие же. Единственное отличие заключается в том, что время прохождения одного полного цикла при 60 Гц составляет 16,67 мс, а не 20 мс. Это не влияет на угол, питание или коэффициент мощности, но из-за того, что для стран, использующих источники питания частотой 60 Гц, напряжение будет иным, значение тока тоже будет отличаться.

Угол

Ток

Мощность

Коэффициент мощности

180°

1000 mA

230 Вт

1,00

162°

994 mA

227 Вт

0,99

144°

971 mA

217 Вт

0,97

126°

918 mA

194 Вт

0,92

108°

829 mA

158 Вт

0,83

90°

702 mA

113 Вт

0,70

72°

557 mA

71 Вт

0,55

54°

391 mA

35 Вт

0,39

36°

226 mA

11,7 Вт

0,23

18°

83 mA

1,6 Вт

0,08

0 mA

0 Вт

0,00

Фазовый угол против коэффициента мощности, 230 В AC, нагрузка 230 Ом. Обратите внимание, что нагрузка, использованная при составлении вышеприведенной таблицы, полностью активная и остается неизменной при любых настройках. Однако лампы накаливания не являются устройствами постоянной нагрузки. При остывании нити накаливания при пониженных настройках, уменьшается и сопротивление, что приводит к потреблению большей энергии, чем требуется. Именно поэтому, несмотря на то что уменьшение силы света лампы, несомненно, сокращает потребление энергии, выгода не так велика, как можно было бы ожидать или предполагать.

Стандартная лампа для рабочего освещения (100 Вт) при работе в приглушенном режиме потребляет около 18 Вт. Это больше, чем можно ожидать. Из-за охлаждения сопротивление нити накаливания падает примерно до значения половины сопротивления полной мощности, поэтому потребляется в два раза больше энергии, чем при фиксированном сопротивлении. Для сравнения была протестирована лампа рабочего освещения. При охлажденном состоянии сопротивление составило 44 Ом, в нагретом состоянии – 552 Ом (при включении на полную мощность).

Электронные трансформаторы

Многие новые установки, в которых используются низковольтные галогенные лампы, сконструированы с применением электронных трансформаторов. Несмотря на то что традиционные трансформаторы с железным сердечником отлично работают и обладают невероятным запасом прочности, обходятся они очень дорого. Некоторые из них довольно неэффективны, поскольку теряют порядка 20% от общей мощности, выделяя ее в виде тепла. Электронные трансформаторы отличаются более компактным размером и легким весом и выглядят менее «солидно». Но большинство из них на самом деле эффективны, потери обычно составляют менее 15%. Меньший процент потерь говорит о том, что они вырабатывают меньше тепла, а значит, потребляют меньше энергии. Несмотря на то что уровень рассеивания энергии отдельной установкой может показаться некритичным, при одновременной работе тысяч подобных устройств существенным становится каждый лишний процент потерь. 

Стандартный трансформатор с железным сердечником работает с частотой напряжения сети (50 или 60 Гц). При этом из-за низкой частоты сердечник должен быть довольно значительных размеров. Размер сердечника обратно пропорционален частоте напряжения сети, поэтому трансформатор, работающий при высоких частотах напряжения, может иметь более компактный размер.

Термин «электронный трансформатор» на самом деле употребляется неверно, поскольку это устройство скорее можно описать как импульсный источник питания (ИИП). Электронные схемы применяются для выпрямления сети и конвертации переменного тока в пульсирующий постоянный. Затем пульсирующий постоянный ток подается на коммутационную цепь высокой частоты и небольшой трансформатор. На рис. 11 изображено стандартное устройство подобного типа. 

Слева расположены вводные клеммы, справа – выходные клеммы 12 В. На входе установлен элемент фильтрации радиочастотных помех. Вертикально стоящие устройства, которые видны по нижнему краю, – это два переключающих транзистора. Небольшое зеленое кольцо в центре схемы – трансформатор переключения транзистора. Большой элемент из белого пластика – выходной трансформатор. Внутри него расположен ферритовый сердечник с основной обмоткой. Дополнительные витки (выходной сигнал – 12 В) выведены наружу. Выходной сигнал не трансформируется, это переменный ток, который подается всплесками высокочастотных сигналов. 

T1 – трансформатор переключения транзистора. Он снабжен тремя обмотками: первичной (T1A) и двумя дополнительными (T1B и C). Сравните его с трансформатором зеленого цвета. Первичная содержит один виток, а пусковая обмотка каждого транзистора состоит из 4 витков. T2 – выходной трансформатор. DB1 – симметричный диодный тиристор (такой же, что используется в диммерах, срезающих передний фронт). При превышении напряжением значения в 30 В он запускает колебательный контур цепи. Осцилляция не прекратится до тех пор, пока напряжение не достигнет нуля. Обратите внимание, что базовая выходная частота в два раза выше частоты сети, поэтому выходная частота сигнала электронного трансформатора, работающего в сети частотой 50 Гц, будет равна 100 Гц.

Подобная частота складывается из множества циклов переключения на высокой частоте. Большинство электронных трансформаторов не предназначены для работы без нагрузки (или с нагрузкой в виде лампы). К примеру, установка мощностью 60 Вт для нормальной работы потребует нагрузку, которая потребляет как минимум 20 Вт. При очень небольшой нагрузке на переключающий трансформатор подается слишком малое значение тока, чтобы можно было поддерживать колебательный контур.

Несмотря на то что кривые сигнала приведены в точности в том виде, в котором они были считаны осциллографом на базе ПК, на диаграмме невооруженным глазом заметны участки перехода. Это остаточный эффект процесса оцифровки. Частота на самом деле гораздо выше указанной. Среднеквадратическое напряжение показанного сигнала составляет 12,36 В, но подобную кривую достаточно сложно точно измерить. Я думаю, что реальное значение напряжения было близко к 10 В, которые показал аналоговый измерительный прибор (номинальное значение, указанное на заводском щитке, составляет 11,5 В). При электрическом сопротивлении нагрузки 2 Ом (5A) выходная мощность составила около 50 Вт. Источник питания потребил из сети 231 мА (52,2 В-А). Измеренная входная мощность составила 52 Вт, что позволяет заключить, что коэффициент мощности близок к единице. КПД составляет практически 96%, что является хорошим показателем.

При использовании электронных трансформаторов с низковольтными светодиодными и компактными люминесцентными лампами следует соблюдать осторожность. Поскольку они оборудованы встроенным выпрямителем тока, с ними должны применяться быстрые диоды. Стандартные диоды будут перегреваться, потому что рабочая частота в этой установке гораздо выше той, для которой они предназначены. Несмотря на то что огибающая сигнала имеет частоту всего 100 Гц, частота переключения намного выше – обычно около 30–50 кГц (частота уменьшается с возрастанием нагрузки).

Следует отметить, что экономия энергии при использовании электронных трансформаторов часто переоценивается. В то время как стандартные трансформаторы теоретически имеют бесконечный запас прочности, электронные могут отказать в любой момент и отказывают. Присутствие высоких температур, отмечающееся в пространстве под крышей многих зданий, плохо влияет на полупроводниковые устройства, а повсеместное использование припоя без свинца позволяет говорить о вероятности разрыва соединений. Я видел несколько отказавших приборов, и, несмотря на то что лично я мог бы устранить неполадку, 99% домовладельцев в подобном случае просто выкинут неисправное оборудование и установят новое. Вместо беготни по магазинам с целью замены неисправных установок не проще ли просто использовать неэффективный трансформатор с железным сердечником?

Диммеры постоянного тока 

Несмотря на то что многие (включая меня 30 лет назад) экспериментировали с диммерами постоянного тока, до недавнего времени в них просто не было необходимости. Бывают случаи, когда требуется приглушить свечение автомобильной фары (поворотника или другой). Большинство автомобилей имеют функцию регулируемого освещения приборной панели. В последнем случае обычно используется переменный резистор, к которому последовательно подсоединены лампы, или различные резисторы в зависимости от необходимости попеременно включаются и отключают от цепи. Этот способ подходит для маломощных систем с низкой производительностью, поскольку нет смысла создавать осветительный прибор высокой производительности и тратить энергию, включая в цепь резистивный диммер.

Чтобы наглядно проиллюстрировать энергозатраты, можно произвести простейшие вычисления, представив, что мы используем простой источник питания 12 В и лампочку мощностью 12 Вт...

Мощность лампы

Ток

Напряжение

Резистор

Мощность на резисторе

12 Вт

1 A

12 В

0

0

9 Вт

866 mA

10,39 В

0

1,4 Вт

6 Вт

707 mA

8,48 В

0

2,48 Вт

3 Вт

500 mA

6 В

0

3 Вт

Для упрощения предположим, что лампа имеет постоянное сопротивление (что неверно в отношении ламп с нитью накаливания с любым напряжением). Это, однако, никак не влияет на принцип теста, а включение значения сопротивления лампы для различных настроек в процесс вычислений может только запутать. 

Очевидно, что этот метод не подойдет, если мы хотим получить максимальный КПД. Несмотря на то что величина 3 Вт не ассоциируется у нас с большим выделением тепла, попытка его рассеять в замкнутом пространстве – отнюдь не легкая задача. Таким образом, высокие температуры представляют собой проблему.

Вопрос эффективности начинает стоять еще более остро с возрастанием мощности используемой лампы, поэтому для универсальности необходимо более хорошее решение. К счастью, существует очень простой ответ. В электронике довольно распространен такой прием, как широтно-импульсная модуляция (ШИМ), позволяющий достичь высокой производительности.

При модулировании периодов включения/выключения напряжения, подаваемого на лампу, ее яркость можно контролировать практически без потерь. Если напряжение подается и отключается с одинаковым интервалом (50% коэффициент длительности), лампа (или мощные светодиоды) половину времени работают так, будто на них подается полное напряжение (работают на полную мощность), при этом на самом деле они функционируют на ½ мощности. Поскольку значение коэффициента с помощью потенциометра или управляющего напряжения 0–10 В постоянного тока можно изменять с нуля (полностью выключенное состояние) до максимального (полностью включенное состояние), эта система полностью подходит для использования с современными светодиодными лампами. 

Использование ШИМ-систем может привести к усложнению схемы, поскольку в некоторых из них используются фильтры для отсечения компонента волны переменного тока. Если такой фильтр имеется, то на лампу подается среднее напряжение, что при 50% модуляции составит 6 В постоянного тока. Мощность при этом будет равняться всего 3 Вт (¼ мощности). Однако фильтр невозможно использовать в схемах со светодиодными лампами из-за их сильной зависимости от напряжения. Если сократить напряжение, подаваемое на светодиодную матрицу мощностью 12 В, до 6 В при использовании ШИМ-системы с фильтром, светодиоды просто не будут светить, поскольку им не будет хватать напряжения для преодоления своего прямого напряжения. Прямое напряжение большинства светодиодов белого цвета составляет 3,3 В. Таким образом, светодиодная матрица мощностью 12 В с тремя последовательными дорожками диодов потребляет 9,9 В, а оставшиеся 2,1 В поглощаются токоограничивающими резисторами.

Для регулировки яркости свечения светодиодных ламп фильтр не используется, поэтому для минимизации радиопомех можно поддерживать довольно низкую частоту переключения. Достаточно частоты в 300 Гц. Несмотря на то что при этом светодиоды будут полностью включаться и выключаться по 300 раз в секунду, наш глаз будет не в состоянии уловить частоту мелькания из-за ее высокой скорости. В некоторых случаях вопрос мигания лампы стоит очень остро, но если частота мелькания превышает уловимую невооруженным глазом, проблемы маловероятны. Обычно любая частота, превышающая 50 вспышек в секунду, считается лежащей за порогом нашего восприятия (в сети этому можно найти множество подтверждений). 

Отсутствие фильтра также повышает эффективность. Если взять стандартный диммер постоянного тока, потеря мощности на МОП-транзисторах (при использовании устойчивого МОП-транзистора) при источнике питания 12 В и нагрузке 10 А будет составлять менее 100 МВт. Опорный сигнал ШИМ-системы обычно имеет треугольную форму. Он сравнивается с управляющим напряжением (выделено синим цветом). Если управляющее напряжение поднимется выше треугольной волны, произойдет включение МОП-транзистора, и на нагрузку начнет поступать питание (выделено зеленым цветом). Подобным образом, если треугольная волна поднимется выше управляющего напряжения, МОП-транзистор отключится. Варьируя управляющее напряжение, мы меняем отношение уровней во включенном и выключенном состояниях, а также питание, подающееся на нагрузку. 

Этот тип диммера определенно не нов. Подобные схемы использовались для регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока. Его применение для организации хозяйственно-бытового освещения еще не так широко распространено, но тенденция развития в эту сторону вполне очевидна. Поскольку схема настолько проста, и ею легко управлять, то, как только возрастет популярность полностью светодиодных источников освещения, она получит широкое распространение. 

Это всего лишь вопрос времени, поскольку для подобных систем отсутствует необходимость соблюдения условия возможности замены лампы, а, как известно, светодиоды отличаются долгим сроком службы. Полностью спроектированные установки, подходящие для организации бытового и коммерческого освещения, не будут нуждаться в замене ламп в том виде, к которому мы все привыкли.

А простота схемы и полный спектр возможностей управления мощностью свечения (которое теоретически будет организовано без потерь), несомненно, склонят чашу весов в сторону выбора подобных систем. Скорее всего, диммер будет встраиваться непосредственно в установку, а для его питания потребуется всего пара низковольтных проводов. 

Этот способ также упрощает организацию систем домашней автоматизации, поскольку исчезнет необходимость трансформации напряжения сети переменного тока. Все можно делать при низком напряжении. При отсутствии потребления постоянного тока блок питания можно будет легко настроить на низкое потребление энергии так, что можно будет обойтись даже без выключателя. Тестовый диммер, который я сам сконструировал, может справляться с мощностью до 120 Вт (12 В при нагрузке 10 A), но при этом сам при минимальных настройках потребляет менее 20 мА (менее ¼ Вт). Рассеивание энергии диммером при работе на максимальной мощности обычно составляет около 3 Вт или менее (практически все потери происходят на МОП-транзисторах). Таким образом, можно заключить, что его КПД – более 97%. 

Этот диммер идеально подходит для использования со светодиодными лампами. Он позволяет полностью контролировать переход от полностью выключенного до полностью включенного состояния, а также последующий процесс понижения мощности при затемнении светодиодов. Как показывает практика, этот метод регулировки свечения подходит только для светодиодных матриц, которые уже имеют ограничение по току.

Следующей стадией было бы избавление от резисторов токоограничения. Вместо них можно использовать токоограничение на основе ШИМ. Прибор ограничения по току на основе ШИМ уже используется во многих осветительных приборах, особенно это касается мощных ламп. Однако вполне возможно, что вскоре этот метод будет применяться и для арматуры со светодиодами. 

Популярность светодиодных источников света определяется тем, что ими легко управлять. С ними можно достичь высокой световой отдачи (до 100 лм/Вт, а в будущем и более). Это значит, что, используя светодиодные лампы, можно получить больше света при меньших энергозатратах и выделении незначительного количества тепла.

Стандартная светодиодная матрица, работающая при напряжении 12 В. Обычно используются резисторы 3 x 120 Ом, поскольку в большинстве матриц применяются поверхностно монтируемые резисторы, которые обладают куда меньшей мощностью, чем сквозные. Ограничительные резисторы (40 Ом) отвечают за то, чтобы ток, проводимый через каждый ряд светодиодов, равнялся 52,5 мА. Четыре ряда светодиодов соединены параллельно. Значение полного тока составляет 21 мА. Резисторы в данной схеме использованы неудачно, поскольку они рассеивают мощность, но пользы от них нет. Каждый резистор рассеивает около 37 МВт. Таким образом, впустую тратится порядка 0,44 Вт. Схема в этой компоновке очень чувствительна к напряжению. Увеличение значения напряжения всего на 0,5 В повлечет за собой скачок тока на светодиодах до 65 мА. Снижение напряжения на 0,5 В выльется в снижение значения тока до 40 мА. Несмотря на то что показанная схема далеко не идеальна, в настоящий момент менять резисторы на отдельные высокоэффективные стабилизаторы тока нецелесообразно с экономической точки зрения. 

Ситуация потихоньку меняется, поскольку резисторы подходят для использования только с маломощными светодиодными лампами. Вопрос не стоит остро, поскольку потеря энергии не настолько велика. Обычно для ограничения тока используются специальные ИС. Они ограничивают ток до необходимого значения, но при этом практически не рассеивают мощности. Из-за роста необходимости сокращения показателя рассеивания мощности и повышения чувствительности к напряжению по причине низкого сопротивления для светодиодов большей мощности (к примеру, мощностью 1 Вт) во многих случаях уже используется активное ограничение по току. Светодиоды мощностью 1 Вт потребляют 300 мА. Таким образом, сопротивление необходимо сократить всего до 7 Ом. При этом повышение напряжения всего на 0,5 В повлечет за собой возрастание тока до значения более 370 мА. Это превышает максимально допустимое значение для данных светодиодов. Они просто перегреются и придут в негодность.

Будущее светодиодного освещения

Наряду с эволюцией светодиодной продукции совершенствуются и управляющие схемы. На данный момент на рынке уже существуют несколько производителей, поставляющих управляющие ИС для светодиодного освещения, некоторые из которых уже обладают функцией затемнения. Обычно она организована на основе управления пропусканием периодов включения/выключения переключаемого источника тока при частоте в несколько сотен герц. При этом существующие осветительные установки будут эксплуатироваться еще как минимум несколько лет. Это вызвано тем, что люди в основном предпочитают просто менять лампочки, а не затруднять себя заменой всей осветительной арматуры на светодиодную. Несмотря на это, в скором времени можно ожидать подъема спроса на околосветодиодные схемы, а также встроенные источники питания (балласты) для диммеров. Все эти ноу-хау можно было бы применять уже сейчас, если бы не вопрос стандартизации. 

На деле мы получаем всего небольшую группу производителей, заинтересованных во влиянии на результат путем производства продукции, обладающей передовыми свойствами. Производство чересчур сложных установок или устройств, не удовлетворяющих реальные нужды потребителей, задерживает прогресс и повсеместное распространение светодиодного освещения.

Единственный шаг, который имеет хоть какой-то смысл, – это возврат к старому стандарту 0–10 В. Согласно ему для изменения напряжения в отдельной установке может использоваться переменный резистор. Таким образом, «диммер» представляет собой всего-навсего потенциометр 10 к, строчная? вмонтированный в стенную балку.

Системы домашней автоматизации C-Bus уже оборудованы модулем интерфейса 0–10 вольт. При использовании простейшей аналоговой системы управления затраты на поддержание любого установленного оборудования будут минимальны. При отсутствии необходимости в функции затемнения штырьки диммера можно просто оставить не подсоединенными. Подобная схема позволяет даже организовать управление несколькими осветительными установками с одной точки. 

При массовом производстве соответствующей осветительной арматуры затраты на ее содержание будут минимальны. Было бы большой ошибкой создать цифровой протокол только для того, чтобы принудить людей покупать осветительную арматуру и устройства управления только у одного производителя. Этот подход спровоцировал бы смятение и подъем недовольства на рынке, поскольку сразу бы выяснилось, что существует множество систем, несовместимых с насаждаемой.

Несмотря на то что цифровые системы обладают большей универсальностью (смена цвета и прочие эффекты), большинство домовладельцев не пожелают превращать свой дом в дискотеку. В настоящее время большинство домовладельцев не используют даже простейшие диммеры, поэтому пытаться продать им многофункциональную «поющую» и «танцующую» осветительную арматуру бессмысленно. Это только еще сильнее настроит простых пользователей против новой технологии, которая на данный момент пытается предложить им больше, чем они могут принять. 

Получается, что индустрия в целом работает себе во вред, поскольку не может предложить варианты светодиодного освещения, которые по простоте использования могли бы сравниться со стандартной осветительной арматурой. Конечно, идея создать у себя в комнате клубное освещение вначале привлечет некий пласт потребителей, но дальше развитие застопорится. Если производители не смогут предложить осветительные приборы, созданные с применением новой технологии, которые будут просты в установке и эксплуатации, сама идея заранее обречена на провал.

По материалам melek.ru

Рубрика библиотеки: