На рынке светодиодных ламп и светильников представлен широкий спектр продукции в разных ценовых диапазонах. Основное отличие приборов низкого и среднего ценовых сегментов заключается в большей степени не в используемых светодиодах, а в источниках питания для них.

Светодиоды работают от постоянного тока, а не от переменного, который протекает в бытовой электрической сети, а от качества преобразователя в большей степени зависит надежность ламп и режим работы светодиодов. В этой статье мы рассмотрим, как защитить светодиодные лампы и продлить жизнь дешевым моделям.

Всё описанное ниже справедливо и для светильников и для ламп.

Содержание статьи

Два основных вида источников питания для светодиодов: гасящий конденсатор и импульсный драйвер

В самой дешевой светодиодной продукции используется гасящий конденсатор в качестве источника питания. Принцип его работы основан на реактивном сопротивлении конденсатора. Отметим простыми словами, что в цепях переменного тока конденсатор представляет собой аналог резистора. Отсюда следуют такие же недостатки, что и при использовании резистора:

1. Отсутствие стабилизации по напряжению или току.

2. Соответственно при росте входного напряжения увеличивается и напряжение на светодиодах, соответственно растёт и ток.

Эти недостатки связаны между собой. В отечественных электросетях, особенно в отдаленных районах, дачных поселках, деревнях и частном секторе часто наблюдаются скачки напряжения. Если напряжение проседает ниже 220В это не так страшно для ламп собранных по этой схеме, ток через светодиоды будет ниже, соответственно они прослужат дольше.

Схема светодиодной лампы с гасящим конденсатором:

А вот если напряжение будет выше номинального, например 240В, то светодиодная лампы быстро сгорит, по причине того, что и ток через светодиоды возрастет. Также очень опасны и импульсные скачки напряжения в сети, они возникают вследствие коммутации мощных электроприборов: вы наверняка замечали, что при включении холодильника или пылесоса, например, свет «моргает» — это и есть проявление этих импульсных скачков. Также они возникают во время грозы или аварийных ситуациях на ЛЭП или электростанции. Выглядит импульс следующим образом:

Импульсные драйвера для светодиодов

В светодиодных лампочках среднего и высокого ценового сегмента используются драйвера импульсного типа со стабилизацией тока.

Светодиоды работают от стабильного тока, напряжение для них не является основополагающей величиной. Поэтому драйвером называют источник тока. Его основными характеристиками является сила выходного тока и мощность.

Стабилизация тока реализуется с помощью цепей обратной связи, если не вдаваться в подробности существует два основных типа драйверов, которые используются в светодиодных лампочках и светильниках:

1. Бестрансформаторный, соответственно без гальванической развязки.

2. Трансформаторный – с гальванической развязкой.

Гальваническая развязка – это система, которая обеспечивает отсутствие прямого электрического контакта между первичной цепью питания и вторичной цепью питания. Она реализуется с помощью явлений электромагнитной индукции, иначе говоря, трансформаторами, а также с помощью оптоэлектронных устройств. В блоках питания для гальванической развязки используется именно трансформатор.

Типовая схема бестрансформаторного 220В драйвера для светодиодов изображена на рисунке ниже.

Обычно они построены на интегральной микросхеме со встроенными силовым транзистором. Она может быть в разных корпусах, например TO92, он используется также и в качестве корпуса для маломощных транзисторов и других ИМС, например линейных интегральных стабилизаторов, типа L7805. Встречаютcя и экземпляры в «восьминогих» корпусах для поверхностного монтажа, типа SOIC8 и другие.

Для таких драйверов повышения или понижения напряжения в питающей сети не страшны. Но крайне нежелательны импульсные перенапряжения – они могут вывести из строя диодный мост, если драйвер бестрансформаторный, то 220В попадут на выход микросхемы, или же мост пробьёт на КЗ по переменному току.

В первом случае высокое напряжение «убьёт светодиоды», вернее один из них, как это обычно происходит. Дело в том, что светодиоды в лампах, прожекторах и светильников обычно соединены последовательно, в результате сгорания одного светодиода цепь разрывается, остальные остаются целыми и невредимыми.

Во втором – выгорит предохранитель или дорожка печатной платы.

Типовая схема драйвера для светодиодов с трансформатором изображена ниже. Они устанавливаются в дорогую и качественную продукцию.

Защита светодиодных ламп: схемы и способы

Есть разные способы защиты электроприборов, все они справедливы для защиты светодиодных светильников, среди них:

1. Использование стабилизатора напряжения – это самый дорогой способ и для защиты люстры его использовать крайне неудобно. Однако можно запитать весь дом от сетевого стабилизатора напряжения, они бывают различных типов – релейные, электромеханические (сервоприводные), релейные, электронные. Обзор их преимуществ и недостатков может стать темой для отдельной статьи, пишите в комментарии, если вам интересна эта тема.

2. Использование варисторов – это прибор ограничивающие всплески напряжения, может использоваться как для защиты конкретного светильника или другого прибора, так и на вводе в дом.

3. Использование дополнительного гасящего конденсатора последовательном включении. Таким образом, ограничивается ток лампы, конденсатор рассчитывают исходя из мощности лампы. Это скорее не защита, а понижение мощности лампы, в результате при повышенных значениях напряжения в электросети срок её службы не сократится.

Варистор для защиты ламп и другой бытовой техники

Варистор – это прибор ограничивающий напряжение, его действие подобно газовому разряднику. Это полупроводниковый прибор с переменным сопротивлением. Когда на его выводах напряжение достигает уровня напряжения срабатывания варистора, его сопротивление снижается с тысяч мегаом до десятков Ом и через него начинает протекать ток. Его подключают в цепь параллельно. Таким образом, происходит защита электрооборудования.

Внешний вид варисторов

Un — классификационное напряжение. Это такое напряжение, при котором через варистор начинает протекать ток силой в 1 мА;

Um — максимально допустимое действующее переменное напряжение (среднеквадратичное);

Um= — максимально допустимое постоянное напряжение;

Р — номинальная средняя рассеиваемая мощность, это та, которую варистор может рассеивать в течение всего срока службы при сохранении параметров в установленных пределах;

W — максимальная допустимая поглощаемая энергия в джоулях (Дж), при воздействии одиночного импульса.

Ipp — максимальный импульсный ток, для которого время нарастания/длительность импульса: 8/20 мкс;

Со — емкость, измеренная в закрытом состоянии, при работе ее значение зависит от приложенного напряжения, и когда варистор пропускает через себя большой ток, она падает до нуля.

Для увеличения рассеваемой мощности производители увеличивают размер самого варистора, а также делают его выводы более массивными. Они выступают в качестве радиатора для отвода выделенной тепловой энергии.

Для защиты электроприборов в отечественных электросетях переменным напряжением в 220В подбирают варистор больший, чем амплитудное значение напряжения, а примерно равно 310В. То есть можно устанавливать варистор с классификационным напряжением около 380-430В.

Например, подойдет TVR 20 431. Если вы установите варистор с меньшим напряжением, то возможны его «ложные» срабатывания при незначительных превышениях напряжения питающей сети, а если установите с большим – защита не будет эффективной.

Как уже было сказано, варисторы могут устанавливаться непосредственно на вводе в дом, таким образом, вы защитите все электроприборы в доме. Для этого промышленностью выпускаются модульные варисторы, так называемые УЗИП.

Вот схема его подключения для трёхфазной сети, для однофазной – аналогично.

Эти схемы с использованием дифавтомата и защитой от высокого потенциала на одном или двух проводах однофазной цепи не менее интересны.

Для защиты одного светильника или лампочки используют такую схему включения, она приведена на примере самодельного светодиодного светильника, но при использовании готового светильника или лампы варистор устанавливается также – параллельно по цепи 220В.

Вы его можете установить как в корпусе самого осветительного прибора, так и на питающих проводах снаружи. Если он подключается к розетке – варистор можно расположить в розетке. Варистор можно заменить супрессором.

В этом видео ролике автор интересно рассказывает о таком способе защиты.

Готовые решения

Устройство защиты от импульсных перенапряжений для светодиодных светильников – от производителя LittleFuse. Обеспечивают защиту от перенапряжений величиной до 20 кВ. В зависимости от конструкции устанавливается в параллель или последовательно.

На рынке имеются устройства с разными характеристиками – напряжением срабатывания и пиковый ток.

Устройство защиты светодиодов сохраняет лампы при импульсах напряжения. Подключается параллельно цепи освещения после выключателя. Также предотвращает самопроизвольное мигание светодиодных лампочек при использовании выключателей с подсветкой.

Суть работы такого устройства заключается в том, что внутри установлен конденсатор. Ток подсветки выключателей течет через него, также он сглаживает всплески напряжений.

Подобное или аналогичное устройство от фирмы Гранит, модель БЗ-300-Л. Индекс «Л» в конце говорит о том, что это блок защиты для светодиодных и энергосберегающих ламп (клл).

Внутри расположено три детали, одну из которых мы рассмотрели выше:

Вот принципиальная схема. Вы можете её повторить.

Заключение

Полностью исключить вероятность перегорания светодиодных ламп и светильников невозможно. Однако вы можете продлить лампочкам жизнь, минимизировав влияние скачков напряжение. Сделать это можно либо своими руками, либо купив блок защиты светодиодных ламп заводского исполнения.

Источник

Защита систем светодиодного освещения от перегрузок

Срок службы светодиодных систем для наружного освещения может быть сильно сокращен из-за импульсных перенапряжений в их силовых цепях питания. Решить эту проблему помогут специальные защитные приборы от компании Littelfuse, в частности, SPD-модули на основе варисторных сборок.

Светодиодное освещение стремительно вытесняет традиционные источники света. Более высокий КПД и возможность улучшения освещения при помощи вторичной оптики (линзы и отражатели) делают применение LED-светильников хорошо оправданным как с технологической, так и с экономической точек зрения.

Несмотря на существенную экономию энергии, затраты на покупку и установку светодиодной осветительной системы достаточно велики по сравнению со старыми световыми технологиями. Они могут окупиться только в случае гарантированного бесперебойного функционирования светодиодного освещения в течение 3…5 лет. Срок эксплуатации светильников может сильно сократиться под влиянием импульсных перенапряжений в силовых цепях питания, вызванных ударом молнии, сбоем в электросети или искрением контактов городского электрического транспорта. Особенно таким импульсам могут быть подвержены светильники, расположенные на открытых участках местности, смонтированные на высоких опорах. Эти импульсы значительно сокращают срок службы светильников, что значительно снижает экономический эффект от их применения.

В соответствии с требованиями нормативно-технических документов, все уличные светильники заземлены. При близком ударе молнии в землю происходит «растекание» заряда молнии, что вызывает разность потенциалов между различными точками заземления. Помимо заземления, для защиты электронной начинки осветительного оборудования применяются специальные защитные компоненты и приборы. Одним из производителей таких приборов является компания Littelfuse, которая, помимо иных защитных компонентов, производит и высококлассные средства защиты LED-светильников.

При питании прибора от сети переменного тока целостность его электрической цепи может быть нарушена перенапряжением. Некоторые виды перенапряжений являются неизбежными при эксплуатации линий, так как следуют из физических свойств самой линии и природы протекающих в них процессов.

Причины перенапряжения могут быть

• Внутреннего происхождения:
  • заземление линии;
  • зануление линии;
  • изменение нагрузки;
  • включение и выключение линии, в частности – автоматическое повторное включение;
  • перемещающиеся (неустойчивые) дуговые короткие замыкания на линии;
  • резонанс и феррорезонанс в сети (например, при смещении и колебании нейтрали трехфазной сети).
• Внешнего происхождения:
  • атмосферные явления;
  • молнии, в том числе – шаровые.

В момент, когда поблизости от светодиодного прибора включается или выключается электрическое оборудование, перенапряжение, вызванное переходными процессами (рисунок 1), может вызвать скачки напряжения. Также причиной перенапряжения может быть молния, что особенно актуально для уличного освещения.

Рис. 1. Перенапряжения на линии питания переменного тока из-за переходного процесса

Светильники могут выйти из строя и из-за так называемого непрямого удара молнии (рисунок 2), когда ее разряд на расстоянии нескольких десятков или сотен метров от прибора генерирует электромагнитные поля, которые индуцируют импульсы порядка тысяч вольт в электросети.

Рис. 2. Воздействие непрямого удара молнии

Непрямым ударам молнии подвержены как открытые (воздушные), так и подземные силовые линии электропитания.

Для России весьма актуальна защита от разрядов молний. На рисунке 3 представлена мировая карта частоты ударов молний.

Рис. 3. Глобальная карта частоты ударов молний/км2/год

Больше всего ударам молний подвержена тропическая зона, а наиболее грозобезопасными являются Арктическая и Антарктическая – всего 0,1…1 удар молний на км2 в год.

Как видно на карте, на территории нашей страны тоже есть районы с высокой частотой гроз, где удары молний случаются до 15…20 раз в год на 1 км2. В этих местах вероятность выхода из строя электрооборудования и светодиодных ламп особенно велика.

Светильник чувствителен к повреждению как в дифференциальном, так и в общем режиме.

Дифференциальный режим – большие скачки напряжения и тока на входе источника питания светильника между фазой и нейтралью, которые могут повредить компоненты цепи.

Обычный режим – большие скачки напряжения и тока на входе источника питания светильника между фазой и землей или нейтралью и землей, которые могут повредить его изоляцию и даже сами светодиодные линейки, пробив изоляцию между светодиодной платой и радиатором.

Компания Littelfuse производит устройства защиты от импульсных перенапряжений (УЗИП) для защиты уличных и промышленных LED-светильников, которые удовлетворяют требованиям UL1449/IEC61643-11. В зависимости от предъявляемых требований к защите источника питания могут применяться модули разной мощности, и, соответственно, величины максимального пропускаемого импульсного тока: 20 кА у LSP10 и 10 кА у LSP05 с максимальной защитой от перенапряжений до 20 кВ. УЗИП выполнены из варисторов с термозащитным элементом серии TMOV или TMOV25S. Данный тип варисторов выходит из строя при достижении критической температуры корпуса без возгорания или взрыва элемента. Существует две версии: для подключения модулей в параллель и последовательно.

Преимущества:

• привлекательная стоимость;
• пожаробезопасность;
• простая замена компонентов, вышедших из строя;
• герметичность (IP66);
• компактные размеры (48х48х30 мм).

Применение:

• уличное освещение;
• промышленное освещение;
• светофоры;
• посадочные огни аэродромов.

Мировые стандарты защиты светодиодного освещения

Во многих странах разработаны или разрабатываются стандарты защиты для светодиодного освещения. С развитием светодиодного освещения меняются и стандарты его защиты – как правило, они становятся все более жесткими.

Безопасность определяется максимальной токовой защитой, в частности, от короткого замыкания, и защитой от перегрузки. В Северной Америке UL8750 является стандартом безопасности светодиодного оборудования, относящегося к бытовым светодиодным лампам и уличным светильникам. Целью этого требования является свести к минимуму риск поражения электрическим током и снизить возможность возникновения пожара. Оно устанавливает нормы эксплуатации устройства защиты от перегрузок по току, чтобы прервать или ограничить ток во время короткого замыкания или состояния перегрузки. Плавкие предохранители являются надежной технологией защиты от таких угроз и, соответственно, наиболее часто используются.

За пределами США стандартом для светодиодных драйверов (источников питания, стабилизированных по току) являются спецификации IEC/EN 61347 и IEC/EN 62031. В Европе требования к защите от перегрузок по перенапряжению и току определяются такими документами как IEC/EN 61547, которые базируются на IEC/EN 61000-4-5. В них разграничиваются различные уровни пиков тока на основе 8 кА/20 мкс короткого замыкания и сочетания формы волны. Для применений в наружном освещении эти уровни могут варьироваться от 4 кВ/2 кА во многих азиатских странах до 10 кВ/5 кА в Европе.

В США очень важным стандартом для проверки защиты от скачков тока является ANSI/IEEE C.62.41-2002. Этот стандарт определяет две категории защиты освещения в зависимости от местоположения и связанных с ним требований к испытаниям, переходным перенапряжениям. В зависимости от места применения осветительного оборудования, например, в помещении или на улице, определяется категория. Скажем, на открытом воздухе светильники подпадают под категорию С (высокий или низкий тест требований) – они гораздо более подвержены ударам молний и, следовательно, будут подлежать испытаниям защиты от скачков тока. В таблице 1 представлены сводные показатели уровней перенапряжений IEEE C.62.41-2002 и их применение.

Таблица 1. Сводные показатели уровней перенапряжения и требования к испытаниям IEEE C.62.41-2002 для светодиодных светильников

Плавкие предохранители, MOVs и TVS-диоды производства компании Littelfuse имеют важное значение в обеспечении защиты LED-ламп. Они соответствуют главным нормативным стандартам и нормам безопасности. В настоящее время Соединенные Штаты являются страной, где наиболее проработаны стандарты защиты освещения, эффективности и безопасности для коммерческих помещений, уличного освещения, промышленного и складского. Существуют международные стандарты, которые определяются Международной электротехнической комиссией (МЭК), где указаны нормы защиты от перенапряжений, условия проведения тестирования в соответствии с МЭК 61000-4-5. Кроме того, часть IEC61547 «Оборудование для освещения общего назначения» требует тестирования на электромагнитную совместимость (ЭМС).

Все стандарты защиты можно разделить на две группы: стандарты безопасности, описывающие необходимую защиту от перегрузок по току, и стандарты, определяющие надежность и регламентирующие требования к устройству выдерживать перенапряжения.

Защита светодиодных осветительных систем с помощью изделий Littelfuse

Компания Littelfuse предлагает комплекты средств защиты на линии переменного тока, а также защиту от переходных процессов на стороне постоянного тока. Эти средства защиты могут быть использованы как на этапе производства светодиодного освещения, так и при модернизации для соответствия светильников отраслевым стандартам. На рисунке 4 изображена принципиальная схема устройства светодиодного светильника с защитой от перенапряжений, показаны основные блоки и компоненты. На этом рисунке показано, как предохранитель Littelfuse, соединенный последовательно с фазой, обеспечит безопасность и защитит от короткого замыкания и перегрузки по току. Эти предохранители доступны в широком диапазоне форм-факторов, рассчитаны на разную силу тока, напряжение и способ монтажа, чтобы обеспечить гибкость конструкции для инженеров-проектировщиков. SPD-модули спроектированы специально для защиты светодиодных светильников (рисунок 5) и выпускаются компанией Littelfuse в двух сериях: LSP05 (таблица 2) и LSP10 (таблица 3).

Рис. 4. Типовая схема драйвера LED-светильника с защитой от перенапряжения

Таблица 2. Характеристики SMD-модулей серии LSP05

Основные характеристики модулей:

• наличие в составе мощной варисторной сборки для ограничения высокоэнергетических разрядов; номинальный ток ограничения до 5 кА для LSP05 и до 10 кА для LSP10;
• максимальный ток ограничения до 10 и 20 кА для LSP05 и LSP10 соответственно;
• предотвращение перегрева варисторной сборки с помощью встроенных термопредохранителей;
• рабочее напряжение: 120…480 В;
• герметичное исполнение IP66;
• рабочий температурный диапазон: -45…85°C;
• соответствие требованиям IEC/EN 61347 и IEEE C62.41.2.

Таблица 3. Характеристики SMD-модулей серии LSP10

Рис. 5. SMD-модули серии LS

Встроенная варисторная сборка использует мощные и высоконадежные варисторы, которые позволяют ограничивать выбросы даже очень больших энергий.

Уровень токов и напряжений отвечает самым жестким требованиям стандартов IEC/EN 61347 и IEEE C62.41.2. По этой причине основными приложениями модулей серий LSP являются уличное и дорожное освещение, прожекторы подсветки зданий, стадионов и бассейнов, светофоры, промышленное освещение и так далее.

Несмотря на то, что большинство источников питания для светодиодного освещения имеет встроенную защиту, значительные скачки напряжения на входе светодиодного источника питания могут привести к выходу из строя его компонентов. Как правило, в источниках питания используют минимальную защиту, которая обеспечивает соответствие стандартам безопасности: плавкий предохранитель на входе и небольшой, стоящий за ним, варистор стандартной (маломощной) серии и небольшого размера – не более 10 или 14 мм. В реальных условиях эксплуатации такой варистор не может абсорбировать достаточное количество энергии входного импульса перенапряжения, чтобы защитить компоненты в источнике питания. Внешний модуль защиты от перенапряжения ограничит пики напряжения и ток, чтобы избежать губительных для светильника процессов.

Необходимо отметить некоторые особенности выбора модуля защиты:

• рабочее напряжение должно быть больше или равно максимально допустимому напряжению сети;
• напряжение срабатывания должно быть больше максимально допустимого напряжения сети;
• напряжение ограничения должно быть меньше, чем уровень допустимых помех;
• напряжение ограничения модуля должно быть меньше, чем у других защитных элементов в блоке питания.

Последний пункт объясняется тем, что защитные элементы в блоке питания, например, те же варисторы, будут срабатывать до включения защитного модуля и в результате этого выйдут из строя быстрее, чем он.

Заключение

Стремительный рост развития светодиодного освещения и его повсеместное применение диктуют необходимость использования защитных приборов. Правильно выбранное устройство защиты от перегрузок по току и напряжению, дает ряд преимуществ, начиная с повышенной надежности конструкции и заканчивая низкими расходами на гарантийное обслуживание. Компания Littelfuse предлагает множество продуктов и решений, которые смогут удовлетворить различным требованиям разработчиков.

Источник