ドライバレスAC-LEDライトエンジンにより、フリッカー性能が向上

ドライバレスAC-LEDライトエンジンにより、フリッカー性能が向上

ソリッドステート照明(SSL)コミュニティは、LED照明エンジン用のドライバ回路が標準のAC / DCドライバよりはるかに簡単なため、 AC-LED技術の可能性を探求し続けています。 しかし、現時点までに、多くの指定者は、光がフリッカー指数0.32付近で特徴付けられたため、ACまたは無人ライトエンジンの使用には消極的でした。 この記事では、より高い周波数を使用して0.15のフリッカー指数と0.9の力率を同時に提供するAC-LEDライトエンジンの新しいアプローチを紹介します。


ちらつき指数は、1952年以来の概念であり、そのコンパニオン・パーセンテージ・フリッカーは、2000年に最初に定義されたものです。IES(イルミネーティング・エンジニアリング・ソサエティ)ハンドブックでは、 これらの概念の両方を定義する。 フリッカーは、磁気バラスト蛍光灯に存在するちらつきと、これらの光の存在下で働いていたオフィスワーカーのほとんどが苦しんでいた頭痛と眼の緊張との間に相関が見出された1970年代に、 この認識に続いて、磁気バラスト蛍光灯は、1990年代を通して高周波電子バラスト蛍光灯に徐々に取って代わられ、頭痛や眼の緊張の訴えは止まった。


イチジク。 1. IESは、このグラフに基づいて、フリッカインデックスおよびフリッカメトリックを定義した。


フリッカーチャレンジ


2015年には早送りされ、LEDランプと照明器具が普及しつつあります。 AC / DCドライバを使用するデザインが貧弱な製品を含む、一般照明向けに幅広いSSL製品にわたってちらつきの問題がありました。 それでも、AC / DC設計と比較してコスト効率と信頼性が向上する可能性がある、技術の普及が進んでいるいくつかの問題の1つであるため、AC-LED技術が我々の焦点です。


イチジク。 図2は、従来の2015ドライバレスAC光エンジンの光出力プロファイルを示す。 フリッカ指数は0.309であり、フリッカ率は100%であり、これは単にラインパワーサイクル中の特定の時点で瞬時光出力がゼロを通過するという事実を反映するだけである。 比較のために、LEDを使用する典型的なハロゲン置換ランプの光出力プロファイルは、0.105のフリッカー指数を有する。


米国エネルギー省(DOE)パシフィック・ノースウェスト・ナショナル・ラボラトリー(PNNL)のMichael PoplawskiとNaomi Millerは、IES会議で2011年プレゼンテーションで多数の光源の光出力プロファイルを文書化しました。 これらの波形は、典型的な瞬時光波形がどのように見えるか、およびそれらに関連するフリッカインデックス番号に対する感触を与える。


周波数の確認


フリッカー指数とちらつき率の両方の標準的な尺度は、人間の目の周波数感度を考慮していないという弱点があります。 1988年、Sam Bermanらはいくつかのヒーローボランティアに、視神経を介して脳に到達する際に高周波パルスから生じる電気インパルスを拾うために目に付着した電極を持たせました。 その結果、周波数が高くなるにつれて感度が急速に低下し、200Hzの周波数で約1000倍低下し、より高い周波数に対しては記録されないことが示された。 この理由から、目が知覚していることを表現するために、200Hz以上のすべての周波数をフィルタリングする必要があることが時々提唱されています。


イチジク。 典型的なAC-LED光エンジンは、比較的高いフリッカ指数を有していた。


イチジク。 この回路は、第4世代AC-LED光エンジンを表す。 出典:Segue Electronics。 

2015年に、Rensselaer Polytechnic Instituteの照明研究センター(LRC)は、被験者の50%が知覚する可能性のある周波数に基づいて、人間の目の感度を反映するフリッカーメトリックを説明しました。 しかし、2011年のEM Jaenによる先行研究は、関与する被験者がフリッカーを直接知覚することができなくても、高周波フリッカーの存在によって人間の視覚性能が低下することを示していた。

 

イチジク。 図4の回路は、 3は、このモジュラー製品でSegue Electronicsによって実装されました。


一貫した画像がここに現れます。 人間の半分は、LRCで文書化されているように、60Hzを超えるちらつきを感じることはできませんが、Bermanの研究では、200Hzまでの周波数が確かに脳に伝達されていることが示されています。フリッカー。 200Hzの限界は、5msec(ミリ秒)の時間を有する周波数に相当し、人間の目が検出できないために、例えば2msec以下のオーダーの波形のギャップが目に見えない点があるそのような高速イベントの存在を知らせる。 この知識は、低いフリッカ指標と高い力率を同時に達成する回路の基礎として役立ちます。


イチジク。 ライン電圧に対するLEDストリングを通る電流のグラフは、光出力における短いギャップを示す。 

新しいドライバーレストポロジー


昨年、私たちはドライバーレスAC-LEDライトエンジンの第4世代と考えていたものについて説明しました。 その回路を図1に示す。 この回路は、0.7よりも大きな力率(Energy Starの消費者アプリケーションに適しています)と0.28のフリッカー指数(これは、AC-LED光エンジンよりも優れています)を実現します。 イチジク。 図4は、この回路を用いて作られた光エンジンの一例を示す。 図1の理論回路に示される抵抗器は、 3を光のより良い電圧調整を得るために電流制御抵抗(CCR)に置き換え、従来の電圧サージ保護部品が追加されました。


このシンプルな回路には、4つの同一のLEDストリングがすべて直列に接続されています。 設計シミュレーションでは、電気的効率は87%ですが、サージ保護回路が追加された場合、実際の寿命はわずかに低下します。 これらのライトエンジンの1つの側面は、最も内側の2つのLEDストリングが半サイクルごとに光を生成するのに対して、2つの外側LEDストリングは、1つおきの半サイクルで光を生成するということです。


2本の外側ストリングからの光出力は、1つの半サイクルでは上のストリングから、次の半サイクルでは下のストリングから出力されます。 光出力を均一に混合させるために、一番上のストリングからの各LEDは、一番下のストリングからの対応するLEDに可能な限り近接して配置される。 この配置は、図1に示す実際の回路に見ることができる。 部品数を最小限に抑えるために、個別のLEDを使用する代わりに、各LEDコンポーネントに統合LEDペアを使用します。 イチジク。 図5は、4つのストリングの各々を通る計算された電流を、電力線電圧と比較して経時的にプロットしたものを示す。 結合された電流は、半サイクルごとに2ミリ秒のギャップを除いて、比較的平坦であることが分かる。 

何が興味深いのか? 図5との違いは、2msecのギャップが線間電圧ゼロ交差ではなく、線間電圧波形のピークをちょうど過ぎていることである。 0.73の力率は、電力線電圧のピークの直後に電流がほとんど流れないために生じます。 フリッカ指数は、電力線電圧の各ピークの直後にこの同じ期間に光出力がないので、0.28と高い。 電力線から電流を引き出し、この時間間隔の間にLEDを通すように工夫すると、力率が改善され、フリッカ指数が減少する。 この概念は、図1に示す商用および工業用回路を生み出す。 6 - Photalumeライトエンジン。


高いPFと低いフリッカ


図2の回路は、 図6には先に説明した消費者回路が含まれているが、元の回路の光出力のギャップの間に来るLEDの第5のストリングが追加されている。 制御回路は、ライン電圧が一定レベルを下回って低下した場合にのみオンにする。経時的に測定された光出力の瞬間値を図7に示す。 半サイクルごとに光出力に2回のディップがあり、1回は約1msec、1回は1msec未満である。 これらの短いディップは人間の目には知覚できないので、知覚される光の質は、0.152フリッカー指数から予想されるよりも良好である。


イチジク。 6.より新しいAC-LEDトポロジーは、より均一な光出力を可能にするために5番目のLEDストリングを追加します。 

一般的な質問は、このパフォーマンスが、ライトフリッカーコンテンツに関する推奨事項であるIEEE 1789-2015の要件にどのように関係しているかです。 この規格は、正弦波の光出力変動に限定されており、この波形は非常にはっきりしていません。 IEEE 1789はこの波形には適用されません。 5番目のストリングは各サイクルのごく一部でしか動作しないため、抵抗でLED電流を制限するだけで問題ありません。これは、全体の効率にわずかな影響しか与えません。 
イチジク。 図7の回路から出力された光のグラフ。 図6は、はるかに低いフリッカ指標を示す。 
イチジク。 図7の回路から出力された光のグラフ。 図6は、はるかに低いフリッカ指標を示す。 

イチジク。 図8は、図7の商業/産業用回路を使用して作られた光エンジンの例を示す。 6.この回路は、金属酸化物バリスタ(MOV)、電圧降下抵抗器、および過渡電圧サプレッサ(TVS)からなるサージ保護回路を備えており、従来の電圧サージ試験に耐えることができます。 電圧降下抵抗器で失われる電力は、効率を83%に低下させます。 表には、パフォーマンスデータの概要が示されています。 屋外のベンチで走行するとき、光エンジンの10Wバージョンは60℃の温度で動作し、効率のレベルを反映します。


軽エンジン性能


この光エンジンの光出力波形の興味深い特性は、人間の目が知覚するには高すぎる周波数での変調であるということである。 前に説明したように、人間の目が知覚することのできる良好な近似は、光出力を単に200Hzのローパスフィルタに通すことによって達成することができる。 この場合、4次のバターワースフィルタを使用し、光出力波形が人間の目の能力に対応する方法でフィルタされた場合、ほぼ100%であったフリッカ率はわずか22%に減少した。


ライトエンジンの光出力は、入力ライン電圧とともに増加します。 ライン電圧が10%増加すると、光出力が6.4%増加します。


ライトエンジンの調光性能は特に重要です。 回路にはコンデンサが含まれているため、小さなものでも、いわゆる容量性調光器(後縁調光器、電子低電圧[ELV]調光器、または逆位相制御調光器としても知られています)を使用する必要があります。 このようにして、製品は2.8%まで不安定化することなく減光することができます。 フリッカー指数は、調光が進むにつれて増加し、AC-LEDドライバレス光エンジンで観察されるものと同様です。


PNNLでPoplawskiとMillerが行った前述の2011年の作業では、多くのAC-LEDライトエンジンがテストされ、すべてフリッカー指数が0.42であることが報告されました。 2015年に利用可能な最高のAC-LED照明エンジンのフリッカー指数は0.32でした。 今、2016年にPhotalumeライトエンジンが0.15のフリッカ指標で動作しています。 これはチップキャパシタに微量のエネルギーを蓄積し、適切なタイミングで放出することで実現しています。 その結果、フラットで効率的なドライバーレスの軽量エンジンが得られ、0.90の力率と0.15のフリッカー指標が組み合わされています。


Photalumeライトエンジンのパフォーマンスデータ。


基本的な照明アプリケーションでは、LEDドライバとLEDの旧式のコンセプトがドライバーレスのACライトエンジンに置き換えられているため、別々のLEDドライバがますます不要になるという良い予測です。 特に、これらの薄くて効率的な光エンジンを使用する照明器具が、小さなワイヤホールのみで天井に平らに置かれ、便利な利便性とコスト削減をもたらす将来を予測することができる。 これらの回路の大規模バージョンは、ハイベイライト、街路灯などの強力なアプリケーションに適しています。


イチジク。 図8の回路は、 6は、ERG Lightingによって製造されたこのモジュラーLED光エンジンに取り込まれています。 

この記事で説明する回路は特許出願中です。 ライセンスはPhotalumeから入手できます。