Сенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрикСенсорные экраны, touchscreen, сенсорные киоски, Polyswitch, термопринтеры, силовые реле от Конкур электрик
электромеханические, электронные и системные компоненты
(812) 441-36-38; (495) 755-93-29
 
Найти:    
Наши публикации
Защита LED-светильников уличного исполнения
Полянский Иван
Статья опубликована в журнале «Компоненты и технологии» №3’20.

В статье описаны практические методы защиты светодиодного оборудования со стороны питающей сети, а также возможные способы защиты непосредственно светодиодных массивов и поддержания работоспособности изделий при отказе единичных элементов.

Сегодня приблизительно 25% всей вырабатываемой энергии предназначается для освещения, поэтому использование более высокоэффективных источников света способно существенно снизить общее потребление энергии, а также высвободить мощности генерации для иных нужд. Законодательство, запрещающее и ограничивающее применение ламп накаливания, становится основным движущим фактором для постоянного роста спроса на светодиодное оборудование.

В то же время и обычные пользователи, и промышленные предприятия заинтересованы в развитии энергосберегающих технологий, стимулируя спрос на светодиодную технику.

Технические инновации, постоянно применяемые в LED-технологиях, в том числе постоянное повышение эффективности (больше люмен на ватт), развитие оптики (совершенствование линз и отражателей), улучшение тепловых характеристик, позволяют LED-освещению вытеснять как обычные лампы накаливания, так и ртутные и газоразрядные лампы в уличном освещении. Тем не менее уличное LED-освещение по-прежнему остается дорогостоящим, а возврат инвестиций складывается не только из затрат энергии, но и из стоимости сервисного обслуживания и долговечности. Для обеспечения гарантированного периода окупаемости порядка пяти лет требуется высокая надежность и долговечность LED-светильников. При этом кратковременные всплески напряжения в линиях передачи переменного тока являются основной угрозой для уличного LED-оборудования.

Всплески напряжения вследствие воздействия молнии

Когда электрические устройства включаются или выключаются из сети, возникают кратковременные всплески напряжения в линии передачи рядом с устройством. Также разряды молнии способны генерировать всплески напряжения в линии, особенно в случае уличного оборудования, подключаемого к воздушным ЛЭП (рис. 1). Воздействие энергии разряда молнии способно неблагоприятно воздействовать на уличное LED-освещение.



Рис. 1. Непрямое воздействие разряда молнии на электрическую сеть напряжения переменного тока

Светильники уличного освещения уязвимы как к дифференциальному, так и к синфазному воздействию:
  • дифференциальные всплески напряжения и тока «линия-нейтраль» или «линия-линия» (для трехфазной схемы) способны повредить компоненты источника питания и/или светодиоды;
  • синфазные всплески напряжения/тока «линия-«земля» или «нейтраль-«земля» способны повредить изоляцию светильника, включая компоненты источника питания и изоляцию охладителя светодиодов.


Производители светодиодного оборудования должны внимательно относиться к выбору предохранителей, варисторов и TVS-диодов для обеспечения соответствия их оборудования требованиям безопасности и надежности.

В настоящее время во всем мире используется методика тестирования устойчивости к выбросам напряжения по IEC 61000-4-5, за исключением США, где придерживаются собственного стандарта. Дополнительно существует стандарт IEC61547, который регламентирует тестирование на электромагнитную совместимость осветительного оборудования общего применения.

На рис. 2 показаны две осциллограммы, характеризующие напряжение и ток тестового импульса. Тестовая последовательность состоит из комбинации 1,2Ѕ50 мкс напряжения холостого хода и 8Ѕ20 мкс тока короткого замыкания. Для прохождения данного теста определенный пиковый ток калибруется в генераторе тестовых импульсов путем замыкания его выхода на «землю» до подключения испытуемого светильника.



Рис. 2. Тестовые импульсы в соответствии с IEC61000-4-5: 1,2×50 мкс напряжения холостого хода и 8×20 мкс тока короткого замыкания:
а) форма напряжения на выходе генератора для режима холостого хода;
б) форма тока на выходе генератора для режима короткого замыкания

Для того чтобы предотвратить повреждение светильника энергией выброса, минимизировать затраты на обслуживание и повысить общую надежность изделия, необходимо заранее обеспокоиться надежной схемой защиты.

На рис. 3 показаны различные элементы, наиболее часто применяемые в схемах защиты уличных светильников от различных воздействий.



Рис. 3. Типовая схема включения уличного светильника с защитой


Металлооксидный варистор с температурной защитой (MOV)

MOV — недорогой вариант эффективной защиты от выбросов напряжения в источниках вторичного питания и других применениях, например в унифицированных блоках защиты (SPD) на входе LED-драйвера компании Littelfuse.

Варисторы предназначены для того, чтобы подавить всплеск напряжения в течение микросекунд. Тем не менее варистор, встроенный в модуль защиты SPD, сам по себе может вызвать проблемы при неправильном подключении или потере нейтрали, что приводит к его перегреву и даже возгоранию. Стандарт Северной Америки UL 1449 описывает методику тестирования модулей SPD в различных приложениях, чтобы удостовериться в их надежной работе в процессе эксплуатации. Надежная схема защиты с MOV должна обеспечивать его отключение в случае перегрева. К сожалению, варистор имеет способность деградировать после подавления одного сильного всплеска напряжения либо при последовательности всплесков небольшой мощности, что приводит к увеличению тока утечки. Даже в случае номинального режима работы варистора от сети 120/240 В AC происходит медленная деградация, приводящая к увеличению температуры варистора в процессе эксплуатации. Последовательное включение температурного предохранителя способно предотвратить перегрев варистора и дальнейшее ухудшение его параметров. Когда срок жизни MOV будет подходить к концу, температурный предохранитель разорвет цепь и предотвратит развитие аварийной ситуации в варисторе, защитив всю систему.


Индикация необходимости замены, окончания срока эксплуатации защитного SPD-модуля

После отключения MOV от цепи блок защиты от перенапряжения SPD больше не способен обеспечивать подавление выбросов. Чтобы предотвратить повреждение оборудования от выбросов, разработчик должен предусмотреть метод оповещения сервисного персонала о необходимости замены блока защиты SPD.?Разработчики светильников используют две схемы подключения защитных SPD-модулей: параллельное и последовательное включение защиты (рис. 4).



Рис. 4. Последовательное включение тепловой защиты в схеме с MOV


Параллельное включение защиты: модуль SPD подключен параллельно нагрузке (рис. 5). В этом случае при выключении SPD-модуля и достижении им предельного срока эксплуатации происходит отключение защиты, однако нагрузка остается подключенной к питанию. По этой причине современные модули защиты SPD имеют светодиодный индикатор, который сигнализирует зеленым цветом при исправности SPD-модуля и красным — при его отключении. Иногда также предусмотрена выносная индикация состояния SPD-модуля.


Рис. 5. Подключение защитного SPD-модуля параллельно с нагрузкой


Последовательное соединение SPD-модуля в одной цепи с нагрузкой (рис. 6). В случае окончания срока эксплуатации SPD-модуля в такой схеме происходит отсоединение нагрузки от питающей сети. В последнее время данная конфигурация становится все более популярной, поскольку позволяет защитить дорогостоящее оборудование, обходясь заменой одного SPD-модуля в аварийной ситуации.



Рис. 6. Последовательное включение SPD-модуля в цепи с нагрузкой


Проблема защиты светодиодов К сожалению, основной элемент построения LED-светильников часто становится самым хрупким компонентом, требующим повышенного внимания при проектировании и эксплуатации. Являясь простым p-n-переходом, излучающим фотоны при прямом прохождении тока, светодиод подвержен проблеме обрыва цепи из-за перегрева контакта полупроводника с металлическими электродами. Вторая распространенная причина обрыва цепи светодиода — воздействие электростатического разряда, который может возникнуть по причине близкого разряда молнии и др., что характерно в первую очередь для уличного освещения.

Традиционные решения на базе TVS-диодов, MOV и предохранителей могут быть эффективным решением для защиты светодиодов, но ни один из этих компонентов не способен защитить каждый отдельно взятый светодиод в массиве.

Для решения данной проблемы был разработан элемент защиты от обрыва цепи, выполняющий шунтирование вышедшего из строя светодиода и таким образом сохраняющий работоспособность оставшейся цепи светодиодов. Данный компонент способен самостоятельно детектировать отказ светодиода и активироваться, не допуская разрыва цепи. Принцип его работы — ключ, срабатывающий по напряжению, который имеет минимальный ток утечки в закрытом состоянии (порядка нескольких микроампер) и малое сопротивление после открывания, что обеспечивает минимальные потери энергии. Исправный светодиод имеет падение напряжения 0,7 В, чего недостаточно для срабатывания защиты, но как только происходит обрыв цепи светодиода, напряжение возрастает и переводит защитный элемент в низкоомное состояние, сохраняя целостность цепи.



Примеры использования защиты светодиодов

Внедрение защиты светодиодов не вызывает особых затруднений при любой топологии светильника. Обычно защита ставится параллельно каждому светодиоду в «гирлянде». Типовая схема включения элементов защиты приведена на рис. 7.


Рис. 7. Типовая схема включения защиты PLED


Типовой элемент защиты светодиодов PLED компании Littelfuse имеет малое прямое падение напряжения, около 1,5 В, и низкий ток утечки в закрытом состоянии. Такой элемент ориентирован на применение совместно с 1–3-Вт светодиодом с током 350 мА, имеющим прямое падение порядка 3 В, но иные серии могут применяться в схемах вплоть до 1000 мА.

В идеальном случае каждый светодиод должен быть обеспечен собственной защитой, но часто один защитный элемент устанавливается на два светодиода для экономии стоимости конечного изделия. Напряжение срабатывания элемента защиты должно соответствовать количеству защищаемых светодиодов. Так, серия PLED6 имеет напряжение срабатывания 6 В и ориентирована на защиту одного типового светодиода, в то время как серия PLED13 отличается напряжением срабатывания 13 В и способна защитить три типовых светодиода. На рис. 8 показаны основные характеристики PLED.



Рис. 8. ВАХ защитного элемента PLED


В выключенном состоянии VBR является суммой приложенных AC- и DC-напряжений, при этом ток, протекающий через PLED, не превышает 5 мкА.?Значение IS характеризует ток при достижении напряжением порогового значения для открывания. Ток удержания IH характеризует минимально необходимый ток для поддержания защиты в открытом состоянии. Падение напряжения VT является максимальным напряжением на PLED в полностью открытом состоянии. IT характеризует максимально допустимый ток через компонент защиты в течение 2 с.

Данные компоненты имеют широкий диапазон рабочих температур –40…+150 °C и могут применяться в условиях агрессивных сред. Другое достоинство PLED — допустимая частота коммутации светодиодов вплоть до 10 кГц, что обеспечивает их совместимость с высокочастотными схемами регулировки яркости и т. п. Обычно яркость регулируется ШИМ на частотах 60–1000 Гц, но иногда применяется схема регулировки яркости протекающим током DC, хотя она и менее эффективна в плане энергопотребления. Защита PLED совместима со всеми перечисленными режимами и схемами включения.

Таким образом, выбор правильной стратегии защиты проектируемого LED-оборудования должен касаться не только защиты источника питания от всплесков входного напряжения, но и защиты самих светодиодов, а правильный взвешенный подход к созданию подобной схемы способен как увеличить срок службы всего изделия, так и уменьшить срок его окупаемости за счет сокращения сервисного/гарантийного обслуживания и вынужденного простоя.

Konkur Electric
197342, г. Санкт-Петербург,
ул. Торжковская, д.5, офис 314А (БЦ Оптима)

105484, г. Москва,
ул. 16-я Парковая, д.21,
корп.1, офис 413
Copyright © ЗАО «Конкур электрик» - электромеханические, электронные и системные компоненты, термопринтеры, сенсорные экраны, touch screen
Частичное или полное копирование материала, размещенного на сайте, без согласия ЗАО «Конкур электрик» запрещено.
Поиск электронных компонентов Поиск электронных компонентов