В течение многих лет светодиоды использовались в качестве световых флагов и индикаторов, но благодаря развитию синего светодиода (который позволил реализовать белые светодиоды) недавно они нашли свое место в приложениях общего освещения. Это стало возможным благодаря недавнему появлению так называемых светодиодов высокой яркости (HB-LEDs), которые меняют перспективы внутреннего и наружного освещения.
Долгосрочные оценки, предполагающие 100% проникновение на рынок и 50% эффективность преобразования энергии, показывают, что 10%-ное снижение мирового потребления энергии может быть достигнуто за счет использования светодиодов в качестве основных источников света. Эта цель экономии может означать снижение на 50% электроэнергии, используемой для производства искусственного освещения [1]. Это вместе с белым светом, хорошим индексом цветопередачи (CRI) и долгим сроком службы делает светодиоды очень привлекательной и экологически чистой альтернативой в качестве источника света.
Но поскольку HB-светодиоды являются устройствами с низким энергопотреблением (обычно от 1 до 5 Вт), светодиодный светильник (или что-либо подобное лампе, сделанной из светодиодов) не может быть сконструирован из одного устройства. Таким образом, необходимо связать несколько светодиодов для получения желаемого светового потока. Есть несколько способов связать светодиоды для получения желаемого светового потока. У каждой формы ассоциации есть свои преимущества и недостатки.
Решения на основе светодиодов должны иметь несколько светодиодов, связанных для излучения светового потока типичных светильников. Например, светодиод мощностью 1 Вт излучает около 100 лм, а лампа HPS мощностью 100 Вт излучает 9000 лм. Таким образом, потребуется объединение 90 единиц светодиодов мощностью 1 Вт, чтобы иметь такой же световой поток.
Объединение светодиодов для создания струнного модуля вызывает беспокойство по поводу текущего регулирования отдельных устройств или струн. Поскольку светоотдача и коррелированная цветовая температура сильно зависят от прямого тока светодиода [2], необходимо очень внимательно следить за тем, чтобы все устройства в одной цепочке (или модуле цепочки) управлялись одним и тем же прямым током. Кроме того, перегрузка по току может вызвать ускорение ухудшения светового потока светодиода.
Также существует вероятность отказа светодиода, при котором различные ассоциации (показанные на рисунке 1) будут реагировать по-разному. Согласно [3] светодиоды обычно выходят из строя из-за разрыва цепи из-за электростатического разряда (ESD) и термомеханического напряжения соединительных проводов. Но они также могут выйти из строя в результате короткого замыкания, чаще всего в результате сквозных дислокаций (образование нанотрубок на подложке) или ухудшения пассивирования (дефекты на изолирующем слое SiO2). Важно отметить, что самые современные модели светодиодов не имеют слоя SiO2 [4].
Рис. 1. Три возможности модулей светодиодных цепочек: (а) последовательная цепочка, (б) последовательно-параллельная цепочка и (в) матричный модуль.
Несколько возможностей для объединения светодиодов в цепочку или модуль светильника показаны на рисунке 1. Чистая последовательная ассоциация светодиодов (рисунок 1a), называемая цепочкой светодиодов, имеет то преимущество, что заставляет все устройства использовать один и тот же ток, таким образом дальнейшее выравнивание тока не требуется, поэтому дисбаланс тока отсутствует. С другой стороны, большие последовательные струны могут привести к высокому напряжению на струнах. Более того, если один светодиод выходит из строя как разомкнутая цепь, вся цепочка будет отключена (если не используются специальные схемы защиты), что поставит под угрозу надежность модуля в этом неисправном состоянии.
Параллельное соединение цепочек образует последовательно-параллельный светодиодный модуль (рис. 1b). Это снижает влияние отказа светодиода разомкнутой цепи, из-за которого выйдет только струна, но создаст проблему дисбаланса тока. Поскольку не все светодиоды могут быть идентичны, напряжение на каждой цепочке будет немного отличаться, поэтому их токи также будут отличаться. Следовательно, может потребоваться какая-то схема выравнивания для балансировки тока в отдельных струнах. Матричный модуль (рисунок 1c) создается путем прямого параллельного соединения светодиодов, а затем последовательного соединения этих параллельных кластеров друг с другом.
В результате все строки матрицы модуля имеют одинаковое напряжение. И снова произойдет дисбаланс тока, потому что светодиоды по своей сути различаются по прямому напряжению. Но в этом случае потребовалось бы устройство для выравнивания для каждого светодиода, что оказывается нежизнеспособным. Одним из преимуществ является то, что отказ светодиода из-за разомкнутой цепи приведет к отключению только одного устройства, но если отказ окажется коротким замыканием, весь параллельный кластер отключится из-за падения напряжения до нуля.
Использованные источники
[1] J. Y. Tsao, “Solid state lighting: lamps, chips and materials for tomorrow,” IEEE Circuits & Devices Magazine, vol. 20, no.3, pp. 28-37, 2004. [2] G. Carraro, “Solving high-voltage off-line HB-LED constant current control-circuit issues,” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 1316-1318, 2007. [3] J. Arnold, “When the lights go out: LED failure modes and mechanisms,” White Paper, Dfr Solutions, College Park, Margland, 2004. [4] E. F. Schubert, Light Emitting Diodes, Cambridge University Press, 2003. [5] On Semiconductor, AND8109-D – LED constant current source scheme: theory of operation, Application Note, 2003. [6] C. Correa, J. Garcia, C. Barriquello, A. Schittler, D. Camponogara and R. N. Prado, “Aplicação de espelhos de corrente no acionamento de LEDs de potência,” Congresso Brasileiro de Automática (CBA), 2008. (In Portuguese) [7] Y. Hu and M. M. Jovanovic, “A novel LED driver with adaptive drive voltage,” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 565-571, 2008. [8] S. M. Baddela and D. S. Zinger, “Parallel connected LEDs operated at high frequency to improve current sharing,” IEEE Industry Applications Conference/39th IAS Annual Meeting, vol. 3, pp. 1677-1681, 2004. [9] C. Chiu and K. Chen, “A High Accuracy Current- Balanced Control Technique for LED Backlight,” IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC), pp. 4202-4206, 2008. [10] Texas Instruments, UCC28810EVM-003 – 110-W Multiple String LED Driver with Universal Line Input and PFC, User’s Guide, 2009. [11] K. I. Hwu and S. Chou, “A simple current-balancing converter for LED lighting,” IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 587-590, 2009. [12] J. Zhang, L. Xu, X. Wu, Z. Qian. “A Precise Passive Current Balancing Method for Multioutput LED Drivers,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 26, no. 8, pp, 2149 – 2159, 2011.Cláudio R. B. S. Rodrigues, Pedro S. Almeida, Guilherme M. Soares, Mateus F. Braga, Henrique A. C. Braga
A Novel Linear Circuit for Current Equalization in LED Strings