Napájení LED sestav

Elektrické vlastnosti LED diodVA_charakteristika_LED

LED diody se chovají stejně jako jiné polovodičové diody – jako polovodičový ventil. Budeme-li zvyšovat napětí na diodě zapojené v propustném směru, pak až do dosažení hodnoty prahového napětí jí (skoro) žádný proud neprochází a LED dioda (skoro) nesvítí. Po dosažení prahového napětí se LED otevře a vykazuje minimální odpor a procházející proud je daný parametry zdroje. I malá změna napětí pak má za následek velkou změnu procházejícího proudu a bez dalších opatření snadno přesáhnete maximální hodnotu proudu a LED zničíte. Proto je nutné tekoucí diodou v propustném směru omezit a to buď sériovým rezistorem (napěťové napájení LED diod ze zdrojů konstantního napětí přes sériový předřadný rezistor) a nebo elektronikou zdroje (proudové napájení LED diod zdroji konstantního proudu).

LED diody a zejména POWER LED jsou velmi citlivé na přepólování a na impulsní rušivé signály jakékoli polarity byť malé mohutnosti. Přestože ve struktuře LED jsou obvykle již přímo integrovány ochranné obvody, je třeba na LED diodu pohlížet jako na elektrostaticky citlivou součástku a zpracovávat ji odpovídajícím způsobem. Polotovary s LED mají elektrostatickou odolnost díky dalším ochranným prvkům a součástkám vyšší, přesto je ale třeba se při jejich aplikaci a provozu vyvarovat elektrostatických výbojů a rušivých polí.

Statické vlastnosti LED diod popisují jejich voltampérové charakteristiky popsané v katalogových listech. Určit odolnost LED proti výbojům, impulsům a jiným podobným vlivům je velmi problematické. Takové jevy nezničí LED diodu ihned, ale naruší částečně vnitřní strukturu LED, což bude příčinou jejího budoucího problematického chování (problikávání) a nebo to povede k výraznému zkrácení její životnosti. Základem je korektního provozu LED je kvalitní a proti rušení a přepětí v síti odolný napájecí zdroj.

Volba pracovního bodu LEDucinnost_vs_proud

Svit LED diod je závislý na protékajícím proudu. Závislost světelného toku na proudu ale není lineární. V praxi proto řešíme dilema, kdy chceme, aby dioda pracovala s co nejvyšší účinností, a zároveň bylo LED světelné řešení co nejlevnější. Vysoké účinnosti dosáhneme při malém proudu. Malý proud ale znamená také menší svit a tím i nutný větší počet LED pro generování požadovaného světelného toku a tím roste cena svítidla. Pokud naopak chceme mít LED sestavu co nejlevnější, budeme LED napájet proudem blízko proudu maximálního a její účinnost se velmi sníží.

Dále je třeba mít v návrhu rezervy na možné tolerance výstupních parametrů napájecího zdroje a mít zajištěno potřebné chlazení LED.

Rovněž je třeba řešit otázku životnosti LED vzhledem k protékajícímu proudu a provozní teplotě LED.

V praxi se volí jmenovitý proud LED cca 50-70% proudu maximálního podle konkrétních provozních podmínek a požadované účinnosti a životnosti.

Typy napájení LED diodnapetove_napajeni_2

Napěťové napájení LED : Zdroje pro napěťové napájení LED se označují jako constant voltage (CV, c.v.). Proud LED diodou je omezen sériovým odporem, na kterém vzniká výkonová ztráta. K napájení se použijí zdroje konstantního napětí. Jednotlivé části sestavy se zapojují (až na výjimky) navzájem a na napájecí zdroj paralelně, napětí je pro všechny části stejné a výsledný proud je dán součtem proudů jednotlivých částí. Požadované parametry zdroje tedy jsou jmenovité napětí a výkon vyšší, než celkový příkon zátěže. Světelná sestava se snadno navrhuje a je možno ji vypínat a přepínat i na sekundární straně zdroje a za chodu. Bohužel s rostoucím výkonem velmi rychle narůstají výkonové ztráty na předřadném odporu, resp. odporech a zhoršují účinnost sestavy a komplikují konstrukci chladiče. K regulaci výkonu sestavy se používá princip pulsní šířkové modulace PWM (pulse width modulation).

proudove_napajeni_2Proudové napájení LED : Zdroje pro proudové napájení LED se označují jako constant current (CC, c.c.). Proud LED diodou je omezen elektronikou zdroje. Protože zdroj je spínaný, nevzniká přídavná výkonová ztráta. Proudové zdroje mají speciální konstrukci a nedají se běžně použít pro jiné účely. Jednotlivé LED diody, nebo LED moduly a zdroj se zapojují (až na výjimky) navzájem sériově do jednoho okruhu. Proud v okruhu je jmenovitým proudem zdroje a je pro všechny části stejný. Propustná napětí spotřebičů ve větvi se sčítají a tento součet = celkové propustné napětí připojených částí musí být v regulačním pásmu výstupního napětí zdroje. Jinak může dojít ke zničení zdroje nebo připojené LED sestavy. Vypínat a zapínat sestavu je možno pouze na primární straně zdroje. Regulace svitu se děje změnou stejnosměrné úrovně výstupního proudu a nebo speciální proudovou pulsní šířkovou modulací – proudová PWM.

Některé typy zdrojů jsou schopny pracovat jak v režimu constat voltage, tak v režimu constant current. Zatímco u napěťových zdrojů je překročení maximálního proudu zdroje poruchový stav, u těchto zdrojů je koleno zatěžovací charakteristiky velmi ostré a zdroj při zvyšování zatížení automaticky přejde do režimu konstantního proudu a je to pro něj trvalý pracovní režim. Pro práci v constatnt current režimu pak platí vše, co platí pro proudové zdroje. Zejména že  propustné napětí připojené LED sestavy musí být v regulačním pásmu výstupního napětí zdroje.

cv-cc

Vlastnosti LED napájecích zdrojů

Pro napájení LED diod a LED sestav používejte výhradně napájecích zdrojů, které výrobci zdrojů deklarují jako určené pro napájení LED. Zdroje určené pro jiné účely (počítače, telekomunikace, silové průmyslové aj.) jsou pro napájení LED nevhodné. Zejména jsou pro napájení LED problematické zdroje s vysokým činitelem R&N (Ripple&Noise = zvlnění a šum). Vysoký činitel R&N vede k přetížení LED nestabilitou výstupních parametrů zdroje a vysokofrekvenčními impulsy danými podstatou fungování spínaných zdrojů superponovanými na stejnosměrnou výstupní úroveň. Použití těchto zdrojů, jedná se většinou no name zdroje low cost cenové úrovně – filtrační členy něco stojí, případně se jedná o průmyslové zdroje, kde je pro napájení např. silových motorů nějaký vysokofrekvenční šum naprosto bezvýznamný, se vyvarujte.

Pro napájení LED nepoužívejte (až na výjimky pro speciální účely) toroidní transformátory a transformátory pro napájení halogenových žárovek. Elektronické předřadníky pro halogenové žárovky jsou po napájení LED nepoužitelné. Pro napájení LED nepoužívejte, pokud nejste renomovaný odborník, ani zdroje vlastní výroby nebo amatérské elektronické stavebnice.

Zdroje renomovaných rovněž výrobců mají potřebnou odolnost proti nežádoucím jevům na elektrické síti (přepětí, podpětí, napěťové špičky na síti aj.), přesto mohou v případě spínání silových spotřebičů v okolí instalace (silové motory, elektromagnety, výtahy, technologické linky aj.) být jejich ochranné obvody před přepětím nebo odolnost vůči rušení nedostačující. V případě podezření na tyto jevy doplňte napájecí obvody ve vlastním zájmu o další přepěťové prvky. Bohužel … norma je norma … a revize přípojného místa … a život je život …

LED napájecí zdroje stejně jako jakékoli jiné spínané zdroje z hlediska principu svého fungování v okamžiku zapnutí odebírají velký startovací proud, který mnohonásobně převyšuje jmenovitý ustálený proud zdroje. Při zapojení více zdrojů se tyto proudy sčítají při a jejich současném sepnutí může dojít ke spečení kontaktů vypínače – nahraďte vypínač stykačem nebo vyhazování jističe – nahraďte jistič jiným typem s pomalejším vypnutím (typ C nebo D). Proudovou odběrovou špičku můžete rovněž omezit speciálními ochrannými obvody zapojenými do série se zdroji, případně můžete celou instalaci rozdělit do sekcí a ty spínat postupně.

LED napájecí zdroje stejně jako jakékoli jiné spínané zdroje mají velké unikající proudy, které se při více zdrojích sčítají. Tuto skutečnost je třeba zohlednit u elektroinstalace jištěné proudovými chrániči.

Při zapnutí zdroje se zapojenou LED sestavou se LED diody rozsvítí nepatrně zpožděně (zpoždění v řádu desetin vteřiny), protože akumulační členy zdroje se nejprve musejí nabít určitou energií, aby spínaný zdroj začal fungovat. V žádném případě se nejedná o “nažhavení” známé ze zářivek nebo výbojek !  Zpoždění je nepatrné a LED diody svítí ihned po rozsvícení plným výkonem. Přechodový jev není dán podstatou fungování LED diod, ale podstatou fungování spínaných napájecích zdrojů. Podobně je zpožděno ze stejných důvodů zhasnutí LED diod po vypnutí napájení zdroje. Jestliže LED sestavu ovládáte elektronicky, tento problém odpadá. Moderní regulátory, a i jednoduché typy, navíc pracují se soft náběhy svitu a LED diody rozsvěcují a zhášejí postupně, což je uživatelsky velmi příjemné.

Vstupní obvody zdroje, přes které protéká  rozběhový proud, a zejména vstupní filtr,  jsou dimenzovány pouze na určitou četnost spínání. Při častém spínání může dojít, zejména u levných typů zdrojů, k jejich teplotnímu přetížení a zničení zdroje. Pro časté spínání nebo regulaci použijte u napěťově řízených sestav PWM modulaci a zdroje na sekundární straně doplňte zesilovači. U proudově řízených sestav použijte řízené typy zdrojů a regulaci realizujte standardními řídícími signály.

Pokud je pro spínání zdrojů použito pohybové čidlo, je třeba ve většině případů na ně připojit posilovací relé nebo stykač dimenzovaný na rozběhové proudové špičky zdrojů. Aby nedošlo ke zničení zdrojů častým spínáním, je třeba na čidle nastavit dlouhou dobu zpoždění vypnutí. Při požadavku na časté spínání použijte standardní PWM regulační sestavu s PWM zesilovači na sekundární straně zdrojů. Napájení čidla a vazbu na výstupní signál nebo kontakty čidla je třeba řešit individuálně podle typu čidla.

POZOR !!!  Nikdy nepřipojujte LED diody na proudový napájecí zdroj, který je již zapnutý. Z podstaty svého fungování má proudový zdroj bez zátěže na svém výstupu maximální napětí zdroje. Po připojení LED pak zdroj výstupní napětí sice rychle sníží na potřebnou pracovní hodnotu, ale tento čas je daný rychlostí regulační smyčky zdroje a takto vzniklý proudový impuls ve většině případů LED ihned zničí a nebo může být zdrojem problematického chování LED v budoucnu nebo dojde k výraznému zkrácení životnosti LED. Pokud dojde u proudově napájené LED sestavy závadou a nebo v důsledku servisního zásahu k rozpojení kabeláže, vypněte nejprve proudový zdroj na primáru, opravte kabeláž a pak teprve znovu připojte napájecí zdroj na primární napájecí napětí. Zdroje vyšších cenových kategorií mají toto nebezpečí ošetřeno tzv. soft startem, kdy měkkým napětím elektronicky detekují na výstupu připojenou zátěž a napájecí výstupní silová úroveň na ustálenou hodnotu najíždí zdola. Doporučuji ale, a zejména u dražších sestav, na to nespoléhat …

 Chlazení napájecích zdrojů

Napájecí zdroje musí být provozovány tak, aby se za provozu nepřehřívaly. Ve většině případů stačí umístit je v otevřeném prostoru s volným prouděním vzduchu. Umístění do uzavřeného nebo nevětraného prostoru (nevětrané podhledy a tepelné kapsy), velké množství zdrojů na jednom místě a na sobě, vysoká teplota okolí, tepelně izolující minerální vata aj. životnost zdrojů velmi výrazně snižuje.

Pokud potřebujete doopravdy robustní napájecí systém s vysokou odolností a s dlouholetou zárukou, je nutné volit i odpovídající typ zdroje (např. zdroje Mean Well řady HLG). Samozřejmě i tyto zdroje je nutno provozovat v příslušném teplotním režimu dle katalogových údajů výrobce.

V žádném případě neumisťujte v podhledech zdroje, ale ani chladiče LED a LED svítidla (především dovnlighty) do protipožární minerální vaty !

Při jmenovitý provozních podmínkách světelné sestavy, zejména jmenovité teploty okolí, by neměla být překročena teplota Tc zdroje. V dokumentaci k jednotlivým zdrojům naleznete údaje popisující jejich zatížitelnost s ohledem na teplotu okolního prostředí Ta (a=ambient), případně predikci životnosti zdroje podle zatížení zdroje a provozní teploty kontrolního teplotního bodu Tc a další aplikační doporučení ke správnému umisťování zdrojů v prostoru a montáži.

Tc_zdroje2

 Životnost napájecích zdrojů

Napájecí zdroje jsou z hlediska dlouhodobé životnosti nejslabším článkem LED světelných sestav. Kritickými prvky jsou elektrolytické kondenzátory, které časem vysychají a čím je vyšší teplota zdroje, tím rychleji. Renomovaní výrobci dokládají ke svým zdrojům test reporty a údaje o odhadované životnosti v závislosti na teplotě a provozním zatížení zdroje. V současnosti je obvyklou hodnotou za obvyklých provozních podmínek životnost okolo 50.000 provozních hodin a záruka 3-5let.

POZOR : Někteří výrobci vyrábějí zdroje bez elektrolytických kondenzátorů, tyto zdroje ale často mívají vysoký parametr R&N (Ripple&Noise = zvlnění a šum), což může zničit Vámi použité LED diody. Problematiku prosím konzultujte s dodavatelem těchto zdrojů. My se zdrojům s vysokým R&N vyhýbáme.

Z důvodů podpory životnosti a rezervy na teplotu zdroje doporučujeme zdroje zatěžovat na maximálně cca 80% jejich maximálního výkonu.

zatizeni_zdroje

Napájení LED pásků přímo z autobaterie

Tady bohužel musíme říci jednoznačně NE !  Autobaterie jmenovitě na 12V má ve vybitém stavu cca 10,5V a v plně nabitém stavu cca 14,4V. LED pásek na 12V není na takový rozsah napájecího napětí konstruován a diody se mohou snadno překročením maximálního proudu zničit. Záleží na stupni linearizace a použitých LED diodách. V elektroinstalační síti automobilů a zejména při nabíjení baterie se na vedení vyskytují napěťové špičky, které mohou pásek snadno zničit.