«Листая скучные ГОСТы…» или анализ требований при разработке LED-драйвера27.03.2020 08:03

Должен признаться — мне нравится разрабатывать LED-драйверы. Видимо есть что-то особенное в том, чтобы создавать свет, какая-то магия. Пусть продолжаются споры про вредность так называемого «синего пика», пускай в магазине мы всё ещё можем купить ужасные светодиодные лампочки с пульсацией 100%, тем не менее, разработать хороший LED-драйвер — отличная задача. Впрочем, это лирика и пора перейти к теме.

Решил написать статью про одну из своих разработок — компактный LED-драйвер с весьма интересными характеристиками, однако, занудство перфекционизм не даёт этого сделать без преамбулы, откуда же взялись требования, которые будут применяться при разработке. Если копнуть поглубже, возникает порядочно нюансов и думаю, многие разделяют известный принцип «суть в деталях» (и это не только про электронные компоненты).

Такие мысли подтолкнули меня к написанию этой статьи-экскурса в мир ГОСТов.

Итак, если вас интересуют требования к светодиодному оборудованию, а также рекомендации по сертификации CE — добро пожаловать под кат.

Перечень ГОСТов

Здесь привожу перечень всех документов с полными наименованиями, чтобы в дальнейшем в тексте использовать краткие наименования.

Постановление Правительства РФ № 1356 «Об утверждении требований к осветительным устройствам и электрическим лампам, используемым в цепях переменного тока в целях освещения», далее в тексте «Постановление».

ГОСТ Р 55705–2013. Приборы осветительные со светодиодными источниками света. Общие технические условия.

ГОСТ CISPR 15–2014. Нормы и методы измерения характеристик радиопомех от электрического осветительного и аналогичного оборудования.

ГОСТ IEC 61000–3–2–2017. Нормы эмиссии гармонических составляющих тока (оборудование с входным током не более 16 А в одной фазе).

ГОСТ Р 51514–2013. Устойчивость светового оборудования общего назначения к электромагнитным помехам.

ГОСТ Р МЭК 60598–1–2011. Светильники. Часть 1. Общие требования и методы испытаний.

Классификация требований

Коэффициент мощности
Пульсации светового потока
Коэффициент полезного действия (КПД)
Требования ЭМС
Требования безопасности

Почему именно эти требования предлагается рассмотреть? Эти параметры оказывают существенное влияние на выбор структуры, а в дальнейшем и схемотехники LED-драйвера. Кроме того, эти требования весьма важны при сертификации продукции.

Коэффициент мощности

Обратимся к ГОСТ Р 55705–2013 чтобы понять, как он нормируется:

Но это ещё не всё, в «Постановлении» тоже есть требования в этой части, как к лампам:

Так и к светильникам:

Возникает вопрос, как увязать эти требования с требованиями ГОСТ, ведь второй этап ужесточает требования, приведённые в ГОСТ Р 55705–2013, но будем считать, что постановление главнее.

Пульсации светового потока

В ГОСТах данный параметр не нормируется, поэтому обратимся к «Постановлению»:

Кстати, забыл упомянуть, что такое первый и второй этапы:

Получается, что второй этап уже наступил!

Коэффициент полезного действия (КПД)

Вопрос, что делает тут этот параметр если он не нормируется ни в одном ГОСТе? Вообще, считаю, что многими разработчиками и заказчиками значение КПД сильно недооценивается. Тут есть два аспекта, первое, КПД — это тепловыделение, а оно в свою очередь влияет на конструктив (меры по отводу тепла) и на надёжность.

Второе, есть немаловажный параметр — световая отдача (лм/Вт), который кстати весьма подробно нормируется «Постановлением». Очевидно, что КПД оказывает существенное влияние на световую отдачу.

Требования ЭМС. Помехоэмиссия

Требования ЭМС подразделяются на помехоустойчивость и помехоэмиссию. Первое это как изделие выдерживает внешние помехи, а второе — как оно само излучает помехи.

Помехоэмиссия включает в себя:

Кондуктивные помехи
Излучаемые помехи
Эмиссия гармонических составляющих тока

Кондуктивные помехи — это помехи, распространяющиеся по проводам, по сути — пульсации тока, которые драйвер «отправляет» в сеть, если говорить про помехи по питающим цепям. Измерение производится с помощью анализатора спектра. Изделие (LED-драйвер или светильник) подключается к питающей сети через «эквивалент сети» (LISN) и уже от эквивалента сети сигнал поступает на анализатор спектра. При сертификационных испытаниях это происходит при наличии заземлённой плоскости и при определённом положении испытуемого изделия относительно этой плоскости (насколько помню, на расстоянии 40 см). При испытаниях в собственной лаборатории предприятия (или домашней лаборатории если удалось накопить на анализатор спектра) можно проводить исследования и просто на столе. Но всё же рекомендую создать условия, максимально близкие к условиям сертификационной лабы.

Нормы на помехоэмиссию описывает ГОСТ CISPR 15–2014. Например, нормы по кондуктивным помехам на сетевых (питающих) контактах в диапазоне частот от 9 кГц до 30 МГц выглядят так:

Вообще, данный ГОСТ также нормирует уровень помех на выходе и на управляющих цепях LED-драйвера. Впрочем, это довольно редкий случай поскольку обычно в конечном итоге сертифицируется светильник с уже установленным драйвером и наружу выводятся только цепи питания. Во всяком случае, в моей практике именно для LED-драйверов ни разу не приходилось измерять кондуктивные помехи на выходных или управляющих цепях.

Для примера приведу скан по кондуктивным помехам, он может выглядеть так:

Или так:

Излучаемые помехи — это помехи, которые излучаются в эфир. Испытание проводится обязательно в специальной безэховой комнате:

Для измерений используется специальная антенна или набор антенн, измерения проводятся в горизонтальной и вертикальной поляризации, сигнал с антенны также как и в случае с кондуктивными помехами выводится на анализатор спектра. Нормы по излучаемым помехам на сетевых (питающих) контактах в диапазоне частот от 9 кГц до 30 МГц выглядят так:

Эмиссия гармонических составляющих тока. По сути это амплитуды гармоник потребляемого тока. Нормируются стандартом ГОСТ IEC 61000–3–2–2017. Напомню, что светодиодное оборудование по данному ГОСТу классифицируется как оборудование класса C. Нормы гармонических составляющих:

Требования ЭМС. Помехоустойчивость

Помехоустойчивость нормируется стандартом ГОСТ Р 51514–2013 и включает в себя устойчивость к следующим факторам:

Электростатические разряды
Радиочастотное электромагнитное поле
Магнитное поле промышленной частоты
Наносекундные импульсные помехи
Инжектированные токи
Микросекундные импульсные помехи большой энергии
Провалы и кратковременные прерывания напряжения

Данная тема весьма обширна и, пожалуй, выходит за рамки настоящей статьи. По своему опыту прохождения сертификационных испытаний могу сказать, что особо критичными могут быть испытания на электростатические разряды и микросекундные импульсные помехи большой энергии. Конечно, наносекундные помехи тоже серьёзное испытание, но обычно если прошёл «микросекунды», то «наносекунды» проходятся автоматически.

Требования безопасности

Если говорить про требования безопасности, это в основном конструктивные требования, соответственно предлагаю оставить их на откуп конструктору. Что всё-таки влияет на выбор структуры и схемотехники LED-драйвера, так это классы оборудования по электробезопасности и соответствующие им напряжения гальванической изоляции между первичной и вторичной стороной. ГОСТ Р МЭК 60598–1–2011 описывает классы таким образом:

Класс II:

Примечание 1 — К таким светильникам могут быть отнесены светильники следующих типов:
a) Светильник с прочным корпусом, полностью выполненным из изоляционного материала, который закрывает все металлические детали, кроме таких деталей, как шильдики, винты, заклепки, изолированные от токоведущих деталей изоляцией, эквивалентной по крайней мере усиленной изоляции. Такой светильник называют светильником класса защиты II с изоляционным корпусом.
b) Светильник с практически сплошным металлическим корпусом с двойной изоляцией, за исключением мест, где применена усиленная изоляция из-за невозможности использования двойной изоляции. Такой прибор называют светильником класса защиты II с металлическим корпусом.
c) Светильник, представляющий собой комбинацию указанных в перечислениях а) и b) исполнений.
Примечание 2 — Корпус светильника класса защиты II, выполненный из изоляционного материала, может частично или полностью выполнять функции дополнительной или усиленной изоляции.
Примечание 3 — Если заземление для облегчения зажигания ламп или по причинам ЭМС не соединено ни с одной доступной для прикосновения металлической деталью, светильник относят к классу защиты II. Доступные металлические детали, соответствующие требованиям МЭК на лампу, и другие металлические детали, не заземленные и не доступные при нормальной эксплуатации, не относят к токопроводящим деталям, которые могут вызвать поражение электрическим током, если только испытания по приложению А не относят их к токоведущим деталям.
Примечание 4 — Светильник с двойной и/или усиленной изоляцией, имеющий контактный зажим или контакт для заземления, относят к светильнику класса защиты I. Однако стационарный светильник класса защиты II, рассчитанный на шлейфовый способ присоединения, может иметь внутренний контактный зажим заземления для обеспечения непрерывности заземляющего провода, не оканчивающегося в этом светильнике, при условии, что этот зажим изолирован от доступных для прикосновения металлических деталей изоляцией класса защиты II.
Примечание 5 — Светильники класса защиты II могут иметь элементы, у которых защита от поражения электрическим током обеспечивается использованием БСНН.

Класс III:

Немного про сертификацию CE

Примерно вот что вас ожидает:

Некоторые советы:

Если собираетесь в зарубежную испытательную лабораторию пройдите сначала испытания в хорошей российской лабе. Чтобы ничего не рекламировать могу посоветовать в личке;
Обеспечьте запасы относительно норм хотя бы на 5–7 дБ, а лучше 10. То есть если вы влазите в нормы, но запас 1 дБ, то вполне может оказаться, что в другой лаборатории будет результат «Fail», так как даже допустимое отклонение между лабораториями 3 дБ, а реальное вполне может быть и выше;
При испытаниях на излучаемые помехи обратите влияние на положение сетевого кабеля — это может оказать влияние на скан. Кабель должен быть расположен как указано в стандарте;
Не возите на зачётные испытания изделия, которые уже проходили какие-либо испытания на микросекундные и наносекундные импульсы. Эти воздействия могут приводить к деградации защитных элементов (предохранителей, варисторов) и устройство может сгореть в неподходящий момент.

Заключение

Итак, анализ требований при разработке схемотехники LED-драйвера — большая и важная тема. Особенно, если вы собираетесь по-честному сертифицировать вашу продукцию. Или тем более получить сертификат CE продавать на экспорт. Напомню, что этот материал является вступлением к моей статье про разработку LED-драйвера, поэтому — до скорой встречи.

Интересных разработок и чтобы при испытаниях было только «Pass»!

Power is cool — deal with it.