Kiss Zoltán - kelet-Európai értékesítési vezető Endrich GmbH.
LED világítások túlfeszültségvédelme
2015 május 8.
Összefoglalás :
A LED alapú kül- és beltéri világítástechnika az elektronikai kutatás-fejlesztés egyik legdinamikusabban fejlődő szegmense, a LEDinside 2015 évi kimutatásai szerint a világítástechnikai piacon ezen a területen Európa jár élen 23%-os részesedéssel. A kinyerhető fényáram maximalizálása mellett a várható élettartam és a rendszer megbízhatóságának növelésére irányuló törekvés a fejlesztők legfontosabb feladata. A tartós, megbízható megoldásokhoz szem előtt kell tartani azokat a külső tényezőket, melyek hatással vannak az alkatrészek élettartamára, mint például a környezeti hőmérséklet, a feszültség és áram, nem szabad megfeledkezni arról sem, hogy ezek értékét megfelelő korlátok között tartsuk. Ezért tartom nagyon fontosnak a korszerű áramkörvédelmi megoldások alkalmazását ezen a népszerű területen is.
Túlterhelések védelmére alkalmazható komponensek áttekintése
Közismert, hogy a LED alapú világítástechnikai megoldások a hagyományos eszközöknél hosszabb élettartammal bírnak, de ez csak akkor igaz, ha az élettartamot befolyásoló faktorok, mint a LED átmenet (junction) hőmérséklete, az átfolyó áram és a tápfeszültség a tervezett határok közt marad. A hosszabb élettartam során az eszközök több és hosszabb ideig tartó környezeti hatásnak vannak kitéve, a gazdaságos üzemeltetéshez pedig elengedhetetlen a karbantartásmentes kivitel. Ahhoz, hogy a LED alapú világítástechnikai eszközök a hagyományos megoldásokkal azonos szintű elfogadottságot, fogyasztói bizalmat élvezzenek, a tervezőknek következetesen kell alkalmazniuk azon védelmi megoldásokat, melyek a nemzetközi biztonsági előírásoknak és szabványoknak is megfelelnek.
Az alkalmazható áramkörvédelmi megoldások egy része közvetlen a LED komponensek meghibásodása elleni védelmet, ezáltal a karbantartásmentes, hosszú működést szolgálják, mások az áramkör hibás működéséből eredő hőhatások, estleges sérülések és tüzek keletkezését gátolják.
<Ábra> A LED meghajtás általános blokkdiagramja az alkalmazható védelmi megoldásokkal
Mivel a LED élettartama nagyban függ attól, hogy a keletkezett hőt miként vezeti ki a konstruktőr, a hő-menedzsment elsősorban a megfelelő hűtésre koncentrál. Fontos azonban a kiszámíthatatlan környezeti hatások miatti, nem üzemszerű melegedés elleni védelemre is gondolni. Túláram és túlmelegedés elleni védelemként a LED füzérrel sorba kapcsolt PPTC (Polimer PTC –PolySwitch) eszköz használható, melyet célszerű a túlmelegedés-védelem biztosítására a hűtőfelülettel hőkapcsolni is. Normál üzemben az eszköz alacsony impedanciás állapotában észrevétlen az áramkör számára, de hiba esetén, részben az emelkedő külső hőmérséklet, részben a nem üzemszerű mértékű áram által a PPTC belsejében keletkező hő hatására a polimer tágul, a PPTC szerkezete megváltozik és nagy impedanciás állapotba kerül, ezáltal korlátozza a túláramot, megvédve a LED-et a kritikus terheléstől. Ugyanígy védhető meg a LED driver kimenete is az esetleges áramköri anomáliák által keltett nagy hibaáramtól. A hálózati tranziensek, például nagy energiájú feszültség tüskék komolyan befolyásolják (csökkentik) a komplett fényforrás élettartamát. Az ezek elleni védekezés PolySwitch LVR eszközök és fém-oxid varisztorok (MOV) kombinációjával valósítható meg. Túlfeszülség megjelenése esetén a MOV biztosította védelem megszólal, ezáltal az áramerősség az LVR-en megnő, ami azt aktiválja, nagyimpedanciás állapotba helyezi, miáltal a hibaáram csökkenni kezd. Az ábrán látható áramkörben az R1 ellenállás nem védelmi eszköz, csak azt biztosítja, hogy extrém esetben a hibaáram korlátok közt maradjon és ne haladja meg az LVR által elviselhető szintet. A hálózati feszültség tranziensei és tüskéi okozta túlfeszültségek ellen fém-oxid varisztorokkal (MOV) eredményesen védekezhetünk a LED-es világítástechnikai eszközeinkben. A túlfeszültségvédő eszközök azonban ne csak viszonylag gyors lefolyású tranziensek, hanem akár percekig, órákig tartó abnormális túlterheléseknek is ki lehetnek téve, például hibás hálózatokon, vagy a transzformátorban fellépő null vezeték szakadás esetén, mint azt példaként ábránkon is bemutattuk.
Ilyenkor a MOV-ra eső feszültség a névleges értéke fölé emelkedik, a terhelés áramkorlátozó hatása miatt az olvadóbiztosító nem biztos, hogy ki fog oldani, emiatt az összes energia az MOV-ra összpontosul, annak túlmelegedését, leégését okazhatja. A villámlás, az induktív vagy kapacitív terhelés hirtelen kapcsolása is olyan további tranzienseket indukálhat, melyek során fellépő extrém feszültség a varisztor hő-túlfutásához, felrobbanásához, illetve tűzhöz vezethet. A közelmúltban jelentek meg olyan melegedés védelemmel ellátott MOV eszközök, melyek sokféle áramkör, így LED alapú világítótestek védelmére is alkalmazhatók. Normál üzemi körülmények között a MOV kapcsain megjelenő hálózati feszültség nem haladja meg az eszközre jellemző maximális effektív értéket (VAC RMS) és a tranziensek okozta energianövekedés sem terheli túl azt. Azonban abnormális körülmények, például a nulla vezeték esetleges megszakadása esetén meg kell védeni a folyamatosan nagy feszültség tranzienseknek kitett varisztort a hőmérséklet túlfutástól. Ezt korábban sorosan kapcsolt TCO-val oldották meg, a szokásos séma pedig szükségessé tette egy túláramvédő eszköz, például egy olvadóbiztosító használatát is azért, hogy a túlterhelést okozó tranziens áramot is a szükséges minimum alatt tudjuk tartani. A sok diszkrét védelmi elem helyett kézenfekvő integrált megoldást használni, ezt kínálja a Raychem AC 2ProTM eszköze is, mely egy MOV és vele hő-kapcsolt, egybe tokozott polimer alapú PTC kombinációja. Abnormális körülmény okozta túlfeszültség esetén a MOV a megszokott módon kis impedanciájú állapotba kerül és nagy áram kezd folyni rajta, mely például a null vezeték megszakadása esetén olyan mértékű is lehetne, hogy a MOV tönkremeneteléhez és estelegesen tűzhöz vezetne, ha nem lenne a rendszer része a szorosan hő-kapcsolt PPTC, mely a MOV hirtelen melegedése által azonnal nagyimpedanciás állapotba kerül és korlátozza a melegedést kiváltó nagy áramerősséget. A PPTC a hiba megszűnése esetén - lehűlés után - alapállapotba áll, ezzel biztosítva a 2Pro eszköz alapállapotba állítását is, mindezt csere, illetve külső karbantartás szükségessége nélkül. Az ábrán nyomon követhető egy null vezeték szakadása miatt fellépő nagy túlfeszültség hatására megszólaló 2Pro védelem működése.
Az áramkörvédelmi megoldások ajánlott elrendezése
A LED meghajtó modulokban használt varisztorok elrendezése is fontos szempont, mivel a surge védő modul nagyobb méretű varisztora előbb kell, hogy „megszólaljon”, mint a LED driverben használt kisebb méretű MOV. Emiatt az SPD-ben (surge protection device) alkalmazott varisztor megszólalási feszültsége alacsonyabb kell, hogy legyen, mint a driverben használtaké, hogy ez utóbbiakra csak az általuk elviselhető mértékű feszültség jusson.
Az elrendezésre vonatkozó szabályok az alábbiakban foglalhatók össze:
- A tranziens energia nagyobb része az MOV1-en haladjon át
- A maximális folyamatos működési feszültségre (Vm) vonatkozó kiválasztási szabály a következő: Vm(MOV1) <= Vm(MOV2)
- A maximális clamping feszültségre (Vc) vonatkozó kiválasztási szabály a következő: Vc(MOV1) <= Vc(MOV2)
- Esetlegesen érdemes az SPD-vel sorbakapcsolt induktivitást használni, mert így az MOV1 nagyobb surge energiát képes elnyelni:
V(MOV1) = V(MOV2) *dI/dt
Ha ezeket a szabályokat be is tartottuk, és a tranziens energiát az SPD nagy részben el is vezette, a LED driverre még mindig jut túlterhelés, ami veszélyt jelent a driver komponenseire. Emaitt a helyi védelemnek együtt kell működni az SPD-vel. A maradék túlfeszültség minimalizálásához gyors működésű és alacsony clamping feszültségű varisztor szükséges. Az MOV2 clamping feszültségét az MOV1-é felett kell tartanunk ahhoz, hogy az I1 áramot maximalizáljuk, ezáltal I2 túláramot minimalizáljuk, mivel így biztosítható, hogy a maradék áram az F1 olvadóbiztosítót nem oldja ki. A primer áramkör eredő ellenállását (NTC, EMI szűrő, NTC, egyenirányító híd, PFC modul, transzformátor, tranzisztor stb) esetlegesen növelve minimalizálható az I3 áram, ezáltal csökkentve a meghibásodás veszélyét. A surge által különösen veszélyeztetett áramköri elemeket az SPD által „átengedett” túlfeszültségektől TVS diódák alkalmazásával védhetjük meg.
Protek LED világítás túlfeszültségvédő modulok a piacon kiemelkedő surge kezelési képességekkel
A Protek TVS diódái és mátrixai nem ismeretlenek a hazai mérnökök körében, korábban az Elektronet hasábjain is megjelent számos cikk túlfeszültségvédelmi megoldásaikkal kapcsolatban. Most egy új termékcsalád kapott helyet a palattán, a kifejezetten világítótestekhez kifejlesztett túlfeszültségvédő modulok családja.
Az eszköz többféle vonali feszültségre kétféle kivitelben készül, 10,000 A @ 8/20μs és 20,000 A @ 8/20μs surge áramokra.
Az eszköz az IEEE/ANSI C62.41.2 szabvány iránymutatásainak megfelelően túlfeszültség elleni védelmet nyújt a föld-fázis, fázis-nulla és nulla földvezetékek között. Éghetetlen műanyag tokozásban kerül forgalomba, vonalanként 2500/5000 W (10/20 kA Peak Pulse Power - tp = 10/1000us) energia elnyelésére képes.
| Megosztás a Facebookon | Megosztás a LinkedIn-en |
Hivatkozások
A cikk megjelent az alábbi helyeken:
| # | Média | Link |
|---|---|---|
| 1 | Elektronet 2015/4 | Elektronet : elektronikai informatikai szakfolyóirat, 2015. (24. évf.) 4. sz. 22-24. old. |
| 2 | Elektronet online | Kül- és beltéri LED-világítások túlfeszültség-védelme |
| 3 | English version | Overvoltage protection of indoor and outdoor luminaires |
| 4 | TechStory M2M | Kül- és beltéri LED világítások túlfeszültség-védelme |