Lampun tyyppi ja tehonkulutus ovat määrittäneet pitkälti valaistussovellusten ominaisuudet. Tilanne on muuttunut led-teknologian tulon myötä. Se mahdollistaa, että nykyisin samalla perustason puolijohdeteknologialla voidaan toteuttaa pieni-, keski- ja suuritehoisia valaistussovelluksia, joiden hyötysuhde ja valaistusominaisuudet ovat erinomaisia.

Kun suurta tehoa vaativassa valaistuksessa kuten loisteputkissa, katulampuissa, valonheittimissä ja muussa ulkovalaistuksessa käytetään standardeja ramppivalaisimia (troffer), on mahdollista säästää tehoa merkittävästi. Jos yhtälöön otetaan vielä mukaan liitettävyys- ja himmennettävyysominaisuudet, ledivalaistuksen voittokulkua on vaikea lyödä kaupallisesti. Teho-ominaisuuksiensa ansiosta useimmat led-valaistuksen sovellukset voidaan toteuttaa alle 100 W:n tehotasoilla, mikä on merkittävä etu, koska sillä on suora vaikutus tehomuuntimien, lediohjaimien ja lediajurien topologiaan.

Ohjainten vaatimukset

Perusperiaate on, että useimmat valaisimet, paitsi suoraan vaihtojännitteellä toimivat hehkulamput, tarvitsevat jonkin tasoista tehonmuunnosta. Siinä missä ledivalaistus toimii teholähteen positiivisesta tai tasasuunnatusta lähtönavasta, suurin osa muista valaisinteknologioista saa tehonsa suurjännitteisestä tai -taajuisesta vaihtovirtalähteestä. Tavallisesti tässä kohtaa tehoa kuluu eniten ja hyötysuhde kärsii, mutta koska saman valovoiman aikaansaamiseksi ledit kuluttavat paljon vähemmän tehoa, ne toimivat pienjännitteisellä AC/DC-tehonsyötöllä. Alle 100 W:n teholla toimivat lamput on tavallisesti toteutettu yksiasteisella paluukytkentäisellä topologialla. Suurin haaste muutettaessa nykyisiä valaisimia led-teknologiaan on siirtyminen vaihtovirrasta tasavirtaan ja huolehtia samalla siitä, että tehonsyöttö pysyy riittävän tasaisena ja stabiilina välkynnän minimoimiseksi.

On epärealistista odottaa, että ainakaan ihan lähitulevaisuudessa kaikki valaisinpiirit voitaisiin kytkeä suoraan tasavirtaan, joten on tarpeen kehittää muutin- ja ajuriasteita erilaisille lampuille, sovittimille ja rampeille. Parhaiten tämä onnistuu ainakin käyttäjän kannalta integroimalla nämä komponentit lampun kantasovittimeen tai parhaimmassa tapauksessa itse lamppuun.

Alle 100 W:n sovelluksissa käytetyin topologia on yksiasteinen muunnin (moniasteisia muuntimia käytetään tavallisesti yli 100 W:n tehotasoilla).  Yksiasteinen muunnin kattaa suuren määrän sovelluksia aina hyvin vähän tehoa tarvitseviin yksittäisiin lamppuihin tai valopisteisiin asti.

Yhteistä kaikille käyttökohteille on tarve tuottaa tehokerroinkorjaus (PFC, Power Factor Correction) ja mahdollisimman pieni harmoninen kokonaissärö (THD, Total Harmonic Distortion), joille on asetettu säädöksiä eri maissa, joskin säädetyt arvot vaihtelevat alueittain. PFC- ja THD-määräysten pakollisuus riippuu sovelluksen tehonkulutuksesta ja monet valmistajat ovat kehittämässä korvaavia ratkaisuja, joissa esimerkiksi energiasäästölamppuina käytettävät pienloisteputket (CFL, Compact Fluorescent Light bulb) korvataan ledeillä. Tämä asettaa suuria haasteita tilantarpeelle ja -käytölle, kun kaikki AC/DC-muunnokset sekä led-ohjain- ja -ajuritoiminnot on saatava mahtumaan tilaan, jossa tavallisesti on vain itse lamppu.

Kuva 1: Ledivalaisimen osat

Tehonmuunnoksen vaihtoehdot

Tilantarpeen ja lainsäädännön asettamien vaatimusten vuoksi suositeltavin ledin sisällä käytettävä tehonmuunnoksen topologia on yksiasteinen ensiöpuolen reguloinnilla toteutettu Flyback-muunnin. Tämä on toteutettavissa vähemmin komponentein ja pienemmin kondensaattorein kuin toisiopuolen regulointia käyttävässä topologiassa, ja puolijohdevalmistajilla on runsaasti tarjontaa tähän tarpeeseen.

Yksi ensiöpuolen reguloinnilla saatava etu on, että se ei edellytä toisiopuolen takaisinkytkentää, jolloin muuntimen suunnittelu on yksinkertaisempaa eikä optoeristystä tarvita. Käytetyllä regulaattorin tyypillä on merkitystä, kun halutaan saavuttaa asetetut PFC- ja THD-vaatimukset. Täyttääkseen mainitut vaatimukset valmistajat ovat kiinnostuneita hyödyntämään keskeytyvän johtavuuden toimintatilaa (DCM, Discontinuous Conduction Mode). Tässä toimintatilassa muuntajaan latautunut varaus on kulutettu täysin loppuun ennen kuin kytkintransistori kytketään uudestaan päälle ja tämän seurauksena myös lähtödiodin jännite nollautuu. Tästä tuloksena on jakso, jonka aikana virta ei kulje ensiö- eikä toisiopuolella. Tämä jakso on niin sanottu kuollut aika, mistä syystä paluutopologiaa kutsutaan keskeytyväksi (epäjatkuvaksi). Sen etuna on, että diodissa ei esiinny häviöitä ja pientä lähtötehoa vaativissa sovelluksissa voidaan käyttää suhteellisen pientä muunninta. Se on kuitenkin herkkä aaltoisuusvirralle, mistä voi aiheutua häviöitä.

Notkokytkentä (Valley switching) on DCM:n laajennus transistorin päälle kytkemiseksi, kun lähtöjännitteen kytkentävärähtely on pienimmillään. Näin tapahtuu kuolleen ajan alussa esiintyvien ensimmäisten värähtelyjen aikana, jolloin transistori saadaan kytketyksi jälleen päälle ja tehonsiirtojakso alkaa uudelleen. Tarvitaan ohjain, joka tarkkailee lähtöjännitteen kytkentävärähtelyä ja kytkeytyy havaitessaan olevansa notkotilassa. Sen tehtävänä on myös vaihdella kytkentäaikaa lähtötehovaatimusten mukaisesti eli kytkeytyä aiemmin vaadittaessa suurta lähtötehoa tai myöhemmin, jos vaaditaan pientä lähtötehoa. Tämä tunnetaan myös jännitteen ennakointina ja, koska kytkentätaajuuden vaihteleminen saattaa vähentää EMI-häiriöitä, notkokytkentä voi johtaa suurempaan lähdön aaltoisuuteen kytkentäaikojen vaihtelun vuoksi.

DCM:n ja notkokytkennän lisäksi suosiotaan on lisännyt näennäisresonanssinen (QR, Quasi-Resonant) toimintatila, joka tunnetaan myös kriittisen johtavuuden (CrM, Critical Conduction Mode) toimintatilana. Tässä toimintatilassa transistori kytkeytyy, kun ohjain havaitsee lähtöjännitteen aivan ensimmäisten värähtelyjen pohjaosan. Tällöin kytkentähäviöt jäävät pieniksi ja saadaan kaikista toimintatiloista paras hyötysuhde, mutta toisaalta QR/CrM:n käyttö aiheuttaa haasteita täyttää PFC- ja THD-vaatimukset riittävän hyvin.

Led-ohjaimen suunnittelu

Yksiasteisten jännitteen alennukseen ja nostoon perustuvien muuntimien (Flyback buck/boost) perhe NCL3038X toimii QR/CrM-toimintatilassa ja syöttää vakiovirtaa ja -jännitettä lediin tai led-jonoon. Toisin kuin muiden QR/CrM-ohjaimien NCL3038X:n antama PFC-arvo on poikkeuksellisen suuri, yli 0,95, ja THD-arvo on hyvin pieni, alle 10 %. Nämä arvot täyttävät kaikki maailmalla vaikuttavat standardit, jolloin laitteita voidaan käyttää missä tahansa alueella, jossa on säädetty PFC- ja THD-vaatimukset. Kuvassa 2 esitetään, miten himmennyksellä varustettu NCL30386 voidaan integroida osaksi tyypillistä piirikytkentää.

Kuva 2: Tyypillinen NCL30386-ohjaimella toteutetun sovelluksen kytkentä.

Laite toimii edullisesti kolmessa toimintatilassa: yli 80 % lähtökuormilla CrM-tilassa, alle 80 % kuormilla notkotilassa ja hyvin pienillä kuormilla se voi käyttää taajuusennakointia. Joustavuutensa ansiosta sen antama suoritusteho on suuri ja THD-arvo poikkeuksellisen hyvä kaikissa olosuhteissa.  NCL3038X:ään on integroitu myös suurella jännitteellä (HV) tapahtuva käynnistys, mikä takaa jatkuva-aikaisen käyttöönoton ja toiminnan jatkuvuuden myös hyvin pienillä kuormilla. HV-liitinnastasta voidaan dynaamisesti säätää toimintaa siten, että saavutetaan parhaat PFC- ja THD-arvot ja reguloinnit toiminnan aikana.

Älyvalaistus

Himmentäminen on tärkeä ledeillä toteutettavan älyvalaistuksen ominaisuus ja sitä tukee myös useat led-ohjaimet mukaan lukien NCL30386. Himmentäminen toteutetaan tavallisesti käyttäen joko analogiatasolla asetettavaa valolähtöä tai PWM-signaalia, joita molempia tapoja NCL30386 tukee.

Usein PWM-pohjainen himmennysominaisuus saattaa aiheuttaa lähtöön sähköistä häiriötä ja välkyntää, kun PWM on johtamattomassa toimintatilassa, mutta käytettäessä NCL30386-piiriä lähtö on aina muunnettu analogiatasolle riippumatta siitä, onko himmennys toteutettu analogiatulolla vai PWM-signaalilla. NCL30386 tukee himmennystasoja nollasta sataan prosenttiin käytettäessä PWM:ää ja 0,5:stä sataan prosenttiin käytettäessä analogiatuloa. Kuvassa 3 on esitetty lähtöä kuvaavat käyrät lineaariselle ja neliömuotoiselle NCL30386-versiolle.

Kuva 3: NCL30386-piirin vaihtoehtoiset himmennyskäyrät.

Lähdön muoto on myös tärkeä asia ja tavallisesti se on joko lineaarinen tai neliöllinen käyrä. Ensin mainittu tuottaa deterministiset ja säännölliset aikavälin valaistustasot, kun taas jälkimmäistä usein pidetään enemmän luonnollisena. NCL30386 on saatavissa sekä lineaarisella että neliöllisellä lähdöllä ja saatavissa on myös himmentämätön versio NCL30388.

Johtopäätökset

Led-valaistuksesta on tullut nopeasti normi melkein kaikissa valaistussovelluksissa sen tarjoaman pitkän käyttöiän, hyvän hyötysuhteen ja suorituskyvyn ansiosta. Led-valaistukselle on kuitenkin asetettu tiukat PFC- ja THD-vaatimukset, jotka vaihtelevat eri alueilla. Kilpailevista led-ajureista poiketen NCL3038X käyttää QR/CrM-toimintatilaa suuren PFC- ja pienen THD-arvon aikaansaamiseksi ja samalla muuntajan suunnittelu yksinkertaistuu. Koska nämä komponentit tuottavat sekä vakiovirtaa että -jännitettä, ne mahdollistavat myös toiminnallisen ’kylmäkäynnistyksen’ ja toimimisen lisäteholähteenä. Tarjoamalla erilaisille kuormille luokkansa parhaan THD-arvon yhdistettynä poikkeukselliseen PFC-arvoon, yhtä yleiskäyttöistä alustaa käyttämällä tuotevalmistajat saavat käyttöönsä lainsäädännön vaatimukset eri alueilla ja markkinoilla täyttävät laitteet.