На заводе внезапный выход из строя светильника может привести к значительным убыткам. Если светильник расположен на большой высоте, придется использовать дополнительное оборудование и задействовать квалифицированных специалистов, чтобы его заменить. Возможно, придется на время приостановить выпуск продукции. Нередко светильники перестают работать из-за невысокого качества электропитания. В этой статье мы расскажем о том, как можно избежать таких проблем.
Светодиодные драйверы можно разделить на две категории — изолированного (с гальванической развязкой) и неизолированного типа. Деление драйверов на два типа осуществляется по наличию или отсутствию гальванической развязки между входом и выходом. В драйверах изолированного типа ток не может течь напрямую от входа к выходу ни при каких условиях. В драйверах неизолированного типа между клеммами на входе и на выходе может, при определенных условиях, напрямую протекать ток. Каждый из указанных видов драйверов имеет своих сторонников, между ними в Интернете периодически возникают оживленные дискуссии.
Другой способ деления драйверов на категории — принцип работы. По этому критерию они делятся на линейные и импульсные. В линейных драйверах режим по току устанавливается посредством постоянного или регулируемого резистивного элемента. Линейные драйверы бывают как изолированного, так и неизолированного типа. Причем в таких драйверах изолированного типа часто для гальванической развязки применяются конденсаторы, поскольку трансформаторы на частоту 50 Гц довольно громоздки. В импульсных драйверах ток, поступающий в нагрузку, коммутируется с частотой порядка 20 кГц – 1МГц. На выходе пульсации при необходимости сглаживаются, хотя мерцание со столь высокой частотой глазу уже не заметно. Сила тока регулируется посредством изменения ширины импульсов. Благодаря повышенной рабочей частоте, дроссели и конденсаторы получаются довольно компактными.
Наибольшее распространение для светодиодных светильников получили импульсные драйверы. Линейные драйверы применяются сейчас главным образом в недорогих светодиодных лампах. На производстве такие лампы если и используются, то лишь для освещения подсобных помещений. Поэтому далее пойдет речь только об импульсных драйверах изолированного и неизолированного типов.
Драйверы неизолированного типа
В драйверах данного типа понижение напряжения, а также установка требуемого режима питания светодиодов по току осуществляются с помощью дросселя. При этом выход драйвера имеет гальваническую связь со входом. Пример схемы драйвера неизолированного типа приведен на рис. 1.
Главные преимущества драйвера неизолированного типа — простота конструкции и дешевизна. Кстати, сторонники таких драйверов утверждают, что якобы простота конструкции определяет в данном случае высокую надежность. На самом деле, как мы увидим далее, это не соответствует действительности. Еще одно важное преимущество — данный тип драйверов отличается высоким КПД. Качественный драйвер неизолированного типа может иметь КПД в пределах 90–95%.
А в чем основной их недостаток? На схеме видно, что один из концов цепи светодиодов напрямую электрически соединяется с выпрямительным мостом, что обусловлено самим принципом работы неизолированного драйвера. Через этот путь на светодиоды из сети могут поступать импульсные помехи.
Драйверы изолированного типа
В таких драйверах нагрузка подключена через трансформатор. Электрическая энергия передается только индуктивным способом. При этом обеспечивается полная гальваническая развязка входа и выхода.
Для нормальной работы светодиодного драйвера в нем должна быть обратная связь, обеспечивающая стабилизацию выходного тока. В изолированном драйвере цепь обратной связи также должна иметь гальваническую развязку. Такая развязка обеспечивается посредством оптрона или отдельной обмотки трансформатора, специально предназначенной для организации обратной связи. Пример схемы такого драйвера показан на рис. 2.
Основные недостатки светодиодных драйверов изолированного типа — они имеют более сложную конструкцию и стоят дороже. Тем не менее развитие технологий позволило создать изолированные драйверы, в которых сигнал для обратной связи берется с первичной обмотки трансформатора. Оптрон или дополнительная обмотка в трансформаторе не требуются. За счет отсутствия указанных узлов и реализации почти всех элементов устройства в одной микросхеме такие драйверы по цене вплотную приближаются к драйверам неизолированного типа.
Другой недостаток — более низкий КПД. Значение данного параметра у качественного драйвера изолированного типа находится в пределах 85–92%. Это обусловлено наличием потерь в трансформаторе. Сторонники применения драйверов неизолированного типа в качестве обоснования своей позиции указывают, что энергоэффективность изолированных драйверов хуже на 3–6%. Да только вот выигрыш этот находится, что называется, в пределах статистической погрешности. Потому что отклонения в светоотдаче от номинального значения у светодиодов ведущих производителей составляют около +/–7%, а у продукции малоизвестных производителей и того больше.
Пробой в плате светодиодного модуля
Плата для монтажа светодиодов изготавливается из алюминия. Поверх алюминия наносятся тонкие медные провода, к которым припаиваются выводы светодиодов. Между этими проводами и алюминиевой основой нанесен тонкий слой диэлектрического материала.
Светильники для промышленных предприятий обычно имеют корпус из металла, который одновременно является радиатором теплоотвода. Плата светодиодного модуля плотно соединяется с корпусом, при этом возникает электрический контакт между ними. Промышленные светильники, как правило, относятся к I классу защиты от поражения электрическим током. Это означает, что металлический корпус в обязательном порядке должен быть электрически соединен с защитным проводом PE.
Для промышленных предприятий характерен высокий уровень коммутационных помех в сети питания, что связано с наличием мощного электрооборудования. Если в светильнике установлен драйвер неизолированного типа, то импульсные помехи от коммутации проникают в светодиодный модуль. Возникает опасное напряжение между медными проводами и подложкой, которое может привести к электрическому пробою. Помимо частичного разрушения платы, вывод одного из светодиодов тогда окажется напрямую соединен с проводом PE, минуя электрические цепи драйвера. В результате один или несколько светодиодов, установленных на плате, выйдут из строя. Насколько реально такое развитие событий?
Действующий сейчас ГОСТ 32144-2013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» допускает в трехфазных сетях 380 В коммутационные импульсные напряжения до 4,5 кВ при длительности импульса до 5 мс. Величина коммутационных импульсных помех нормируется в стандарте применительно к фазному напряжению. Поэтому для сети 220 В, которая получается из трехфазной 380 В посредством выделения одной фазы, максимальное значение импульсного напряжения так-же составит 4,5 кВ.
С целью обеспечения должной теплопроводности толщина диэлектрического слоя у платы светодиодного модуля выбирается в пределах от 0,05 до 0,15 мм, наиболее распространены платы, где этот параметр равен 0,1 мм. Недорогие полимерные материалы, используемые для изолирующего слоя в таких модулях, имеют удельное напряжение пробоя 30 кВ/мм. Отсюда следует, что напряжение пробоя между алюминиевой основой и медными проводами лежит в пределах от 1,5 до 4,5 кВ, типичное значение — 3 кВ.
То есть, даже если качество электроэнергии полностью соответствует требованиям ГОСТ 32144-2013, все равно есть отличная от нуля вероятность возникновения электрического пробоя в светодиодном модуле, работающем совместно с драйвером неизолированного типа.
В офисах вероятность появления в сети электропитания импульсного напряжения 4,5 кВ невелика, поскольку там нет столь мощного оборудования, как на заводе. Поэтому для офисных светильников применение драйверов неизолированного типа вполне допустимо.
Решить данную проблему, не меняя тип драй-вера, можно одним из трех способов:
- Увеличить толщину диэлектрического слоя до безопасных значений. Обратная сторона — ухудшится его теплопроводность, светодиоды будут перегреваться. Это, в свою очередь, приведет к снижению надежности светильника, но уже по другим причинам
- Использовать материал с более высоким удельным напряжением пробоя. Данная мера позволит повысить напряжение пробоя без увеличения толщины диэлектрического слоя. Но в итоге возрастет стоимость светодиодного модуля, что сведет на нет выигрыш от использования недорогого драйвера.
- Для каждого светильника установить свое пол-ноценное УЗИП, что также является дорогостоящим вариантом.
Что дает гальваническая развязка?
Импульсная помеха, попавшая на вход драйвера изолированного типа, пройдет по его внутреннему контуру. Гальваническая развязка исключает попадание импульсной помехи напрямую в светодиодный модуль. Благодаря этой особенности, при грамотном проектировании драйвера удается обеспечить эффективное подавление помех.
Трансформатор обеспечивает передачу электроэнергии почти в полном объеме в диапазоне рабочих частот. Но за его пределами энергия, передаваемая во вторичную обмотку, значительно ослабляется. Это дополнительно снижает действие импульсных помех, имеющих широкий спектр.
В итоге ситуация, когда в светодиодном модуле возникает пробой, практически полностью исключена. Естественно, если драйвер исправен и правильно подключен к модулю. Вот почему светодиодные светильники с драйверами изолированного типа более надежны в условиях высокого уровня коммутационных помех в сети.
Пример светильника с драйвером изолированного типа
Завод светотехники «ТЕРРА» производит серию промышленных светодиодных светильников TERRA 2.0, в которых установлены драйверы с гальванической развязкой. Модельный ряд включает в себя светильники мощностью от 50 до 200 Вт с высокой светоотдачей до 170 лм/Вт. Например, позиция FS-MAN-T2-200 на 200 Вт дает световой поток 34 000 лм. Корпус светильника имеет оребрение и выполнен из анодированного алюминия с высоким коэффициентом теплопроводности, что позволяет радикально снизить температуру светодиодов при такой высокой мощности и продлить их срок службы. Установленный производителем гарантийный срок составляет 5 лет. Степень защиты светильника IP65, размеры — 1210x106x57 мм, вес — 5,8 кг. По запросу он может изготавливаться с различной цветовой температурой и индексом цветопередачи, а также снабжаться как прозрачным рассеивателем, так и опаловым.
Выводы
На заводах, где есть оборудование, создающее значительные помехи в сети электропитания, следует использовать светильники с драйверами только изолированного типа. Небольшой проигрыш по энергоэффективности и более высокая цена по сравнению с драйверами неизолированного типа многократно компенсируются значительно более высокой надежностью.
Еще больше интересных новостей из мира электротехники, умного дома и энергетики вы можете найти на портале Elec.ru.
Подписывайтесь на наши социальные сети:
🔹MAX