Регулируем свет. Часть 2
Раньше было лучше... Потому что почти везде использовались лампы накаливания или их галогеновые аналоги. Поэтому регулировать яркость света можно было с помощью дешевых симисторных или, как их ещё называют, TRIAC-диммеров.
Принцип действия таких диммеров основан на срезе части питающего напряжения. В электронике система с таким принципом регулирования называется Системой Импульсно-Фазового Управления, сокращённо СИФУ. Такое управление мощностью возможно только в цепях переменного тока. В постоянном токе используют ШИМ-регулирование, но… Рассмотрим все способы по порядку.
Линейное регулирование
В электронике есть два основных способа регулировать мощность чего-либо:
1. Линейный.
2. Импульсный или ключевой.
При использовании линейного регулирования регулируемая[ОЮ1] величина плавно изменяется и доходит до потребителя в исходной форме. То есть если на входе был постоянный ток, то он же будет и на выходе, но меньшей величины. Если на входе регулятора был переменный ток, то с выхода к потребителю пойдёт такой же по форме, но отличающийся по величине. На графике, при одинаковом масштабе это будет выглядеть так:
То есть входной ток или напряжение (для краткости будем говорить «сигнал») отличается от выходного только «высотой» или амплитудой, если говорить научным языком.
Но куда девается разница между выходным и выходным сигналом? Она не может исчезнуть бесследно и всегда превращается в тепло. Чем больше разница между величиной на входе и выходе, тем больше тепла выделится на регуляторе.
Если говорить о регулировании освещения, то чем мощнее лампы в светильнике, тем сильнее будет нагреваться регулятор. А что такое нагрев? В первую очередь, это выделение мощности, пустая трата драгоценной энергии.
В виде формулы это можно записать так: мощность потерь (P) в виде тепла равна разнице между входным и выходным напряжением, умноженной на силу тока нагрузки — P= (Uвх − Uвых) × Iн.
Итак, мы уже знаем, что потери на нагрев зависят не только от разницы между входом и выходом, но и от тока (мощности), который потребляет нагрузка. Если для регулировки свечения пары лампочек от фонарика достаточно небольшого резистора или еще меньшего транзистора, то чтобы снизить яркость потолочной люстры с дюжиной стоваттных «свечек», понадобится регулятор весом в пару кирпичей и еще больших размеров, а выделяющегося тепла будет достаточно для сушки одежды и обогрева кладовой.
Поэтому такой способ регулирования нашел широкое применение в маломощных подсветках. Первое, что приходит на ум для примера, — подсветка приборной панели и органов управления в автомобиле.
Принцип действия симисторных регуляторов мощности (СИФУ)
В бытовой электропроводке протекает переменный ток напряжением 230 В. «Переменный», значит изменяющий по величине и направлению.
К большинству приборов подключается 2 питающих и 1 защитный проводник, который нас сейчас не интересует. Один из питающих проводов электросети называется рабочим нулевым проводником. Нулевой он, потому что «жёстко» соединён с землей и имеет условно нулевой потенциал — ноль вольт. Второй проводник называется фазным проводником и постоянно находится под напряжением.
Так вот, если измерять напряжение фазного провода относительно нулевого каким-нибудь быстродействующим измерительным прибором или осциллографом, то увидим, что оно постоянно меняется, то становится больше, то меньше, чем нулевой — от положительных до отрицательных значений... Так происходит 50 раз в секунду. А если построить график того, как изменяется этот потенциал, то получим волнистую линию, которую в науке называют синусоидой.
А как можно регулировать такое напряжение? Простой вариант мы уже рассмотрели на первой иллюстрации в статье — изменять его амплитуду, сделать это можно, подключив перед нагрузкой (последовательно) балласт. В качестве балласта используют резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы. Но мы также знаем и то, что это неэффективный способ регулирования, что важно в разговоре о светодиодном освещении:
1. Повышая потери, мы теряем пользу от использования современных энергоэффективных осветительных приборов.
2. Большинство драйверов для питания светодиодов не позволяют просто изменять входное напряжение. Они либо будут работать некорректно, либо просто выключатся и не будут работать вообще. Об особенностях питания светодиодов мы уже говорили в предыдущем цикле статей. Более того, для корректной работы со светорегуляторами светодиоды должны питаться специальным диммируемым драйвером.
Так вот, еще один способ — это изменять напряжение питания за счет среза части фазы. Для оценки работы переменного тока в электротехнике есть понятие «действующее напряжение».
Действующее или среднеквадратичное напряжение — это такое значение напряжения постоянного тока, которое за то же время на той же нагрузке выделяет такую же энергию, как и при питании её этим напряжением переменного тока.
Действующие величины электрических сигналов по смыслу близки к площади этих самых сигналов на графике. То есть, повлиять на величину сигнала мы можем не только по амплитуде, но и изменив его площадь, повлияв на форму. Такой подход используется во всех диммерах переменного тока, вот как это выглядит:
На иллюстрации показан принцип регулирования величины переменного сигнала срезом переднего фронта его фазы, в англоязычной среде это называется Leading Edge Dimming. В качестве силового элемента в таких диммерах используется симмистор, поэтому их называют еще и симмисторным, а зарубежом — TRIAC dimmer.
Независимо от сложности и стоимости диммера, форма выходного сигнала будет такой. Так, на вход симмисторного светорегулятора поступает сетевое переменное напряжение, а на выход он пропускает его отдельные участки, как бы обрезая фрагменты.
Для сравнения у регулятора из предыдущего примера на выходе было напряжение такой же формы, как и на входе, но другое по величине.
Таким образом можно регулировать напряжение, точнее, мощность, подаваемую на электрические приборы. В случае с лампочками — изменяется яркость свечения. Но регулировке поддаются не все виды электроприборов. Отлично поддаются регулировке «простые» потребители — все, что связано с нагревом и один из типов электрических двигателей.
Существуют ли специальные диммеры для светодиодных ламп и светильников?
На рынке много «LED-диммеров», но чем они отличаются от стандартных моделей? На самом деле принцип регулирования напряжения у них такой же, но с другой стороны.
В «светодиодных» диммерах так же, как и в обычных срезается часть синусоиды, разница в том, что срезается не передняя её часть, а задняя.
Это называется «диммирование со срезом заднего фронта» или Trailing Edge Dimming.
Но в чем здесь секрет и какая разница светодиодным светильникам какая часть питающего напряжения срезана?
Чтобы у светодиодных ламп и светильников были низкие пульсации светового потока, их нужно питать стабилизированным, еще и не пульсирующим, постоянным током.
Основной элемент в драйвере, который отвечает за сглаживание пульсации — это конденсатор, установленный на входе питания сразу после выпрямителя. Это конденсатор большой ёмкости, который заряжается при подаче питания и накапливает энергию, как аккумулятор, но значительно быстрее — в считаные мгновения. Эта энергия нужна для того, чтобы сгладить пульсации выпрямленного питающего напряжения и обеспечить работу остальных элементов драйвера.
Скорость заряда конденсатора практически ничем не ограничена, как и ток. При питании без диммера напрямую от электросети на вход драйвера поступает синусоидальное напряжение, плавно изменяющееся от -325 до +325 вольт, но при диммировании со срезом переднего фронта, на вход драйвера сразу же подается высокое напряжение. При этом скачек тока, заряжающего этот конденсатор. Это будет повторятся 100 раз в секунду — число, равное числу полупериодов синусоиды питающей сети.
Мы не будем глубоко вдаваться в подробности, и во многом обобщаем изложенную информацию. Если вам интересно узнать больше — пишите об этом в комментариях, и мы расскажем подробнее об устройстве драйвера.
Импульсный характер потребления тока из электросети приводит к возникновению помех (гармоник), которые могут мешать работе другого электрооборудования и приводить к другим негативным явлениям. Самое «безобидное» — лампы могут издавать неприятный гул во время диммирования, работать со сбоями и пульсациями.
Чтобы обеспечить плавный заряд конденсатора, при диммировании можно подавать напряжение плавно, но как это сделать? Учитывая, что синусоида плавно возрастает от нуля до своего пикового значения и также плавно снижается, мы можем снизить ток заряда за счет диммирования со срезом заднего фронта фазы питающего напряжения. На графике это будет выглядеть примерно так:
Таким образом, «светодиодные» диммеры в большей степени обеспечивают оптимальный режим питания драйвера, но не возможность регулировки яркости света. За возможность диммирования светильников отвечает не диммер, а драйвер. Если он построен на базе микросхемы, то в ней должна быть реализована поддержка диммирования.
Таким образом, случился маркетинг, создавший большой миф о «светодиодных диммерах».
Заключение
Мы рассмотрели, как диммеры регулируют яркость светильников, которые работают от сети переменного тока. Это важно понимать, чтобы не задумываться «почему диммер от светодиодной ленты не подойдет для сетевого 220 вольтового светильника? А если подойдет, то в каких случаях… В следующей статье мы поговорим о диммировании светодиодных лент и маломощных 12-вольтовых ламп.
Сборник статей о светодиодах для освещения.
Диммирование 1,2 часть
Что такое освещенность
Как выбрать правильное освещение
Люксы, люмены и ватты 1,2 часть
Почему так дорого 1,2,3,4,5,6 часть
Питание светодиодов 1,2,3,4,5,6 часть
Посетите наш сайт:
Не забывайте подписываться на наши группы и каналы в социальных сетях: Яндекс Дзен, ВКонтакте, Телеграм, Одноклассники, Youtube.
