به دلیل اهمیت بالای LED درایور ها در صنعت روشنایی پژوهش های زیادی در مورد آنها در حال انجام است. در این بخش سعی شده است به تعدادی از نکات مهم و چالش های اخیر که در مورد بهبود عملکرد LED درایور ها به وجود آمده است پرداخته شود.
بازه ولتاژ ورودی گسترده
طراحی LED درایورهایی با قابلیت کارکرد در بازه گسترده ای از ولتاژ ورودی از جمله مباحثی است که مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. همانطور که می دانید LED ها در مصارف و شرایط گوناگونی مورد بهره برداری قرار میگیرند . این تنوع شرایط را می توان به تنوع در منابع توان نیز تعبیر کرد . در کاربرد های پرتابل همانند صفحات نمایشگر و وسایل نقلیه، منبع توان عمدتاً باتری ها می باشند. باتری ها هم بنابه کاربرد دارای انواع مختلفی میباشند . به طور مثال در تلفن های همراه از باتری های Li-ion استفاده میشود که ولتاژ سل آنها در حدود 3.6 ولت میباشد. برای روشنایی های اضطراری و سیار از باتریهای موسوم به AA که ولتاژ نامی در حدود 1.5 ولت دارند استفاده میشود. وسائل نقلیه از باتری های قابل شارژ با ولتاژ های نامی 6 و 12 ولتی استفاده میکنند و در منابع تجدید پذیر گاها ولتاژ نامی مجموعه باتری ها تا 48 ولت نیز میرسد. علاوه بر آن ولتاژ های شبکه توزیع در نقاط مختلف جهان به دو قسمت 115 ولت و 230 ولت متناوب سینوسی تقسیم میشود. ارائه LED درایوری که توانایی پوشش گسترده تری از مصارف و کاربرد ها را دارد موجب میشود تا تنوع ساختاری و به تبع آن خطوط تولید متنوع کاهش یابد و با افزایش تیراژ تولید هزینه تمام شده کاهش پیدا کند.
حسن دیگر این نوع طراحی در افزایش قابلیت اطمینان LED درایور است. با افزایش بازه ولتاژ ورودی توانایی تحمل نوسانات ولتاژ توسط چراغ LED نیز افزایش مییابد. بنابراین احتمال قطع خروجی منبع نوری کاهش مییابد. لحاظ دو نکته در طراحی منابع با بازه ولتاژی گسترده ضروری است. اول این که کمترین زمان کاری کلید (D) که در زمان بیشترین ولتاژ ورودی اتفاق میافتد نباید مقدار بسیار کوچکی باشد زیرا D کوچک باعث میشود تا ریپل جریان بالایی ایجاد شود ، تلفات هدایتی افزایش یابد ، عملکرد EMI مدار تضعیف شود و پاسخ گویی دینامیکی سیستم بد شود. و دوم این که فشار ولتاژ بر روی کلید ها زیاد نباشد.
حذف خازن
در منابع تغذیه سوئیچینگ وجود سلول PFC به منظور بهبود عملکرد مدار امری ضروری است. وجود ساختار هایی که مبتنی بر کلید زنی هستند موجب تبدیل شدن توان اخذ شده از منبع ورودی به توان ضربانی میشود. توان ضربانی ورودی نیازمند تثبیت است . زیرا LED درایور ها نیازمند جریان خروجی ثابت هستند که این جریان ثابت در ولتاژ خاصی اتفاق خواهد افتاد . بنابراین توان در خروجی همواره مقدار ثابتی خواهد بود . عدم رعایت این قاعده با فلسفه درایو LED در تضاد خواهد بود. زیرا ضربانی شدن توان خروجی منجر به ایجاد اثر سوسو زدن در LED خواهد شد و نمود بصری بدی را ایجاد می کند. برای ایجاد توازن بین توان ورودی و خروجی از خازن های الکترولیتی استفاده میشود. اما خازن های الکترولیتی بنابر محدودیت هایی که دارند با خرابی سریعتر نسبت به سایر قطعات مدار منجر به کاهش طول عمر LED درایور و نتیجتا کاهش قابلیت اعتماد آن ، می شوند. بنابراین حذف این خازن و یا جایگزین کردن شیوه ای متناسب میتواند یکی از موضوعات مهم جهت پژوهش در این زمینه باشد.
در این زمینه پژوهشهای زیادی انجام شده است. یکی از نظرات ارائه شده در این مورد جایگزین کردن ذخیره انرژی الکترومغناطیسی به جای ذخیره سازی توسط خازن های الکترولیتی است. استفاده از سیم پیچ و هسته در مدار موجب میشود تا حجم و وزن سیستم نهایی افزایش یابد . همچنین افزودن یک فیلتر اکتیو به ساختمان مدار میتواند جایگزن مناسبی برای خازن الکترولیتی باشد که در این صورت نیز منجر به ایجاد پیچیدگیهایی در طراحی و احتمالا افزایش قیمت تمام شده محصول میگردد.
ساختار های تک مرحله ای
ساختارهای تک مرحله ای LED درایورها مزیتهایی از قبیل تعداد کم قطعات و هزینهی تمام شده پایینتر را دارند. در بازاری که قیمت تمام شده یکی از فاکتور های مهم افزایش فروش محصولات است مزیتهای ساختار تک مرحله ای میتواند منجر به ایجاد زمینهای جذاب جهت انجام پژوهشهای بیشتر شود.
ساختارهای مجتمع نیز از این لحاظ با ساختار های تک مرحله ای قرابت دارند. با این تفاوت که در طراحیهایی با ساختارهای مجتمع قابلیت اطمینان بیشتری نتیجه میشود. استفاده از روش های کنترلی و طراحی که مبتنی بر کلیدزنی نرم میباشند باعث افزایش راندمان در مدارات تک مرحلهای و مجتمع میشود که بر مزایای این ساختار ها میافزاید.
LED درایور های چند کاناله
علت ایجاد LED درایورهای چند کاناله دستیابی به شدت نورهای بالا در ضمن حفظ سطح ولتاژ خروجی درایور در حد پایین میباشد. این امر موجب کاهش تعداد اتصال سری LED ها میشود. این امر باعث میشود تا درایور های چند کاناله موضوع جذابی جهت انجام پژوهش در زمینه راه اندازی LED ها باشند. روشهای مختلفی جهت دستیابی به این ویژگی وجود دارد. این روش ها را میتوان به دو دسته اکتیو و پسیو تقسیم بندی کرد. در حالت اکتیو هر شاخه از LED ها یک مدار کنترلی مجزا جهت کنترل و تثبیت جریان خروجی مدار بکار گرفته میشود. از جمله روشهای اکتیو میتوان به توازن جریان خطی و کنترل کلیدزنی اشاره کرد. نقصی که توسط این روش ها در مدار ایجاد میگردد کاهش راندمان کلی مدار است.
در روش پسیو توازن جریان از قطعات پسیو مانند مقاومت ، خازن و سلف استفاده می شود. استفاده از المان های پسیو به دلیل ساختار ساده تر منجر به حصول سیستمی با قیمت تمام شدهی پایین تر میشود . بنابراین این روش همواره دارای ترجیح بالاتری میباشد. در این بین هر کدام از المانهای پسیو دارای نواقصی در عملکرد هستند . استفاده از مقاومت منجر به افزایش تلفات و کاهش بازده مدار میشود. بکارگیری سلف و ترانسفورمرها منجر به افزایش سایز مدار و فشار ولتاژ بالاتر میشود و حالت خازنی دقت جریان خروجی در شرایط محدودی حاصل میگردد.
منابع
[1]Wang, Yijie, J. Marcos Alonso, and Xinbo Ruan. “A review of LED drivers and related technologies.” IEEE Transactions on Industrial Electronics 64, no. 7 (2017): 5754-5765
[2]Wang, Yijie, J. Marcos Alonso, and Xinbo Ruan. “High-Performance LED Drivers.” IEEE Transactions on Industrial Electronics 64, no. 7 (2017): 5751-5753
[3]Arias, Manuel, Diego G. Lamar, Javier Sebastian, Didier Balocco, and Almadidi Aguissa Diallo. “High-efficiency LED driver without electrolytic capacitor for street lighting.” IEEE Transactions on Industry Applications 49, no. 1 (2013): 127-137
[4]Lehman, Brad, and Arnold J. Wilkins. “Designing to mitigate effects of flicker in LED lighting: Reducing risks to health and safety.” IEEE Power Electronics Magazine 1, no. 3 (2014): 18-26
[5]Kim, Jong-Woo, Jung-Muk Choe, and Jih-Sheng Jason Lai. “Nonisolated Single-Switch Two-Channel LED Driver with Simple Lossless Snubber and Low-Voltage Stress.” IEEE Transactions on Power Electronics 33, no. 5 (2018): 4306-4316
[6]Wu, Hongfei, and Yan Xing. “Families of forward converters suitable for wide input voltage range applications.” IEEE Transactions on Power Electronics 29, no. 11 (2014): 6006-6017
