DRIVER LED: Jaki wybrać?

207

Dopóki diody LED dostępne na rynku wykorzystywano jako zwykłe kontrolki lub wyświetlacze, ich zasilanie było wyjątkowo proste i nie wymagało specjalnych rozwiązań, poza zastosowaniem rezystorów ograniczających prąd. Odkąd jednak na rynku pojawiły się pierwsze komponenty o średniej i wysokiej mocy, przeznaczone do oświetlania zróżnicowanych pomieszczeń, wymagania dotyczące ich zasilania znacznie się zmieniły. Aby zapewnić wydajność i trwałość tych półprzewodników, jednocześnie zasilając je w prawidłowy sposób, konieczne było zastosowanie specjalnie do tego przeznaczonych driverów.

Dlaczego nazywamy te urządzenia „driverami”, a nie zwyczajnie „zasilaczami”?

Ponieważ driver przeznaczony do zasilania diod LED to nie tylko zwykły zasilacz w tradycyjnym tego słowa znaczeniu. Projekt na którym opiera się to rozwiązanie od samego początku uwzględniał szczególne właściwości diod LED, aby zapewnić ich optymalne działanie, trwałość, sprawność energetyczną oraz ochronę przed uszkodzeniem. Klasyczny zasilacz nie mógłby tego wszystkiego zapewnić, a żeby wykonywać te same funkcje, musiałby być wyposażony w elektronikę sterującą.

Czy drivery dostępne na rynku są wszystkie do siebie podobne?

Absolutnie nie. Poszczególne modele posiadają wiele różnic, również dużych i istotnych, związanych głównie z aplikacjami docelowymi. Tytułem przykładu możemy wyróżnić kilka makro-kategorii zastosowań, każdorazowo starając się opisać skrótowo ich cechy, które należy przeanalizować w poszczególnych urządzeniach.

Oświetlenie domowe

Zasadniczo, drivery przeznaczone do oświetlania wnętrz domu powinny spełniać następujące wymogi:

  • Nieduże rozmiary
  • Konkurencyjna cena
  • Średnio – niska moc
  • Wysoka sprawność i niezawodność
  • Łatwy montaż
  • Proste i natychmiastowe sterowanie jasnością (ściemnianie)
  • Trwałość

Jako przykład rozwiązań dla tej kategorii zastosowań możemy przywołać drivery serii LDC o mocy od 35 do 80W, które umożliwiają sterowanie CP (przy stałej mocy) diodami LED.

W przypadku zastosowań przewidujących integrację z systemem automatyki domowej, poza powyższymi rozwiązaniami możemy wskazać również:

  • Dostępność zaawansowanych interfejsów takich jak DALI lub KNX
  • Możliwość bezprzewodowego sterowania

Na przykład seria LCM-BLE łączy w sobie funkcje Bluetooth z Mesh Networking. Urządzenia można łatwo programować i obsługiwać przy pomocy specjalnej aplikacji.

Oświetlenie drogowe

To prawdopodobnie jedno z najbardziej krytycznych zastosowań, ponieważ w jego przypadku LEDy muszą działać bezawaryjnie w trudnych warunkach.

Dlatego też zastosowane drivery powinny posiadać jak najlepsze cechy związane ze sterowaniem, niezawodnością i trwałością.

  • Szeroki zakres temperatur eksploatacji
  • Wysoka sprawność i stabilność
  • Praca przy stałej mocy
  • Aktywna korekta współczynnika mocy (Active PFC)
  • Wysoki stopień ochrony IP
  • Klasy izolacji 2
  • Możliwość zdalnego sterowania dla funkcji Smart City,
  • Doskonały stosunek ceny do parametrów.

Drivery z serii XLG – przedstawione na Rysunku 1 – o niewielkich wymiarach, lub z  serii ELG o doskonałym stosunku ceny do proponowanych parametrów, lub serii HLG o wysokiej sprawności, to bardzo dobry wybór dla tego typu zastosowań.

Rysunek 1. Driver XLG-100-H-A o stałej mocy

Aby zapewnić dodatkową oszczędność energii, wersje D2 serii ELG (opcjonalnie dla modelu HLG) zostały wyposażone w funkcję „Smart Timer Dimming”.

Na czym dokładnie polega funkcja „Smart Timer Dimming”?

Funkcja ta pozwala zmieniać procentową wartość ściemniania na przestrzeni 14 godzin, od godziny 00:00 do 14:00, zgodnie z trzema domyślnymi profilami (oświetlenie domowe, oświetlenie drogowe lub tuneli). Zamiennie, można zastosować interfejs programowania SDP-001, umożliwiający zaprogramowanie drivera za pomocą profili określonych przez użytkownika.

Oświetlenie sceniczne

Również w przypadku branży artystycznej, np. przedstawień teatralnych lub muzycznych, źródła oświetlenia LED znajdują wyjątkowo szerokie zastosowanie na nowoczesnych scenach.

W przypadku rozwiązań RGB można stosować drivery z możliwością regulacji napięcia (CV) MEAN WELL jako wysokostabilne zasilacze dla sterowników LED w standardzie DMX, wykorzystując w tym celu ich wysoką skalowalność i szeroki zakres zastosowań. Z kolei w przypadku rozwiązań monochromatycznych o wysokiej mocy (na przykład projektorów punktowych o skupionej wiązce) można zastosować drivery serii HBG, których kształt walcowy doskonale nadaje się do tego celu.

Oświetlenie upraw intensywnych

Oświetlenie LED zastosowane w intensywnej uprawie roślin w szklarniach zastąpiło i ulepszyło wcześniej wykorzystywane źródła światła, czyli wysokociśnieniowe lampy sodowe. Zasadniczo zmiana na lepsze polegała na możliwości wykorzystania kombinacji diod LED o różnych kolorach, w celu uzyskania odpowiednich odcieni światła, w zależności od gatunku uprawianych roślin lub faz ich wzrostu. Poza sprawnością, niezawodnością, izolacją i ochroną, które cechowały już poprzednią kategorię, drivery przeznaczone do tych zastosowań powinny również odznaczać się:

  • Wysoką mocą wyjściową
  • Szerokim zakresem sterowania, również w przypadku wysokiego napięcia

Urządzenia serii HVGC (Rysunek 7) ze względu na ich właściwości, szczególnie nadają się do zastosowań w sektorze rolniczym. W takich przypadkach zastosowania, biorąc pod uwagę wykorzystanie dużej mocy, niezwykle przydatna jest możliwość podłączenia 2 faz na linii trójfazowej (wejście 400 V AC) z korzyścią dla sprawności energetycznej i przy znacznym zmniejszeniu prądu wejściowego. W tych przypadkach wyjątkowo korzystna okazuje się być obecność aktywnego układu „Active PFC”.

Rysunek 2. Drivery LED serii LCM firmy MEAN WELL

Na czym polega działanie aktywnego układu PFC i jakie przynosi korzyści?

PFC czyli „Power Factor Control” lub aktywna kontrola współczynnika mocy, to bardzo przydatna funkcja, która eliminuje jeden z typowych problemów ze stanami wejść w mniej zaawansowanych driverach, pozbawionych tej funkcji. Na Rysunku 3 przedstawiono przebiegi napięcia (kolor zielony) i prądu (kolor czerwony) odnoszące się do wejścia AC zasilacza tego typu. Po lewej stronie na rysunku przedstawiono przebieg prądu pobieranego przez urządzenie bez układu aktywnego PFC. Jeśli przyjrzymy się szczegółowo, zauważymy, że przebieg prądu jest nie tylko przesunięty w stosunku do napięcia, ale także jest znacznie zniekształcony. Tej sytuacji nie można lekceważyć ponieważ doprowadza da zmniejszenia sprawności instalacji elektrycznej (prądy o wysokim natężeniu w stosunku do rzeczywiście przesyłanej mocy czynnej). Ponadto taki stan jest niezgodny z prawem, i jest karany przez zakłady energetyczne poprzez zastosowanie zwiększonych taryf dla klientów biznesowych i przemysłowych. Układ aktywnego PFC zastosowany w driverach MEAN WELL, poprzez ciągłą pracę i funkcję automatycznego dostosowywania się, umożliwia znaczne zmniejszenie zniekształcenia przebiegu prądu oraz przesunięcia pomiędzy dwoma sygnałami (tak, jak przedstawiono to w prawej części Rysunku 3), doprowadzając współczynnik mocy do wartości równej lub przekraczającej 0,9, bez względu na obciążenie.

Rysunek 3. Przebiegi napięcia (na zielono) i prądu (na czerwono) na wejściu AC
drivera bez układu regulacji współczynnika mocy (po lewej) i z układem Active PFC (po prawej).

Jakie są standardy zasilania oświetlenia LED?

Standardy zasilania LED to zwyczaj zasilanie stałoprądowe (CC) lub stałonapięciowe (CV). Najlepszym sposobem na to, by dowiedzieć się, który z nich należy zastosować, jest zapoznanie się ze specyfikacjami technicznymi stosowanych podzespołów, dostarczonymi przez producentów.

Zasilanie stałoprądowe (CC)

LEDy (pojedyncze lub połączone szeregowo) zasilane są przez driver, który stale kontroluje i reguluje natężenie prądu przepływającego przez złącza półprzewodników. Przykładem tego typu urządzeń może być rodzina driverów stałoprądowych, o niskim poziomie pulsacji, serii HVGC firmy MEAN WELL, dostępnych z prądem wyjściowym o wartości od 350 mA do 7 A, będących w stanie utrzymać szeroki zakres napięcia, zmienny w zależności od ilości diod LED tworzących obwód sterowany przez driver.

Zasilanie stałonapięciowe (CV)

W tym przypadku driver precyzyjnie kontroluje i reguluje napięcie dochodzące do LEDów, które wspierają ten tryb pracy. Dostarczany prąd będzie zależał od liczby połączonych elementów, podczas gdy zintegrowane zabezpieczenie drivera uniemożliwi przekroczenie wartości granicznych mocy przewidzianych przez specyfikację. Seria APV firmy MEAN WELL stanowiąca przykład zastosowania rozwiązania „Constant Voltage”, składa się produktów z napięciem wyjściowym od 5 V do 48 V, regulowanym lub stałym, oraz prądem od 0,3 A do 40 A.

Zasilacz do LED z 40 A na wyjściu? Do czego służy?

Normy bezpieczeństwa dotyczące instalacji oświetleniowych w trudnych warunkach (HazLoc, Hazardous Locations) przewidują (zasadniczo) zastosowanie źródeł niskiego napięcia. Również i ryzyko wytworzenia iskier lub łuków elektrycznych powinno być zmniejszone do minimum. W konsekwencji, podczas projektowania tego typu instalacji preferuje się połączenia równoległe urządzeń oświetleniowych i większe natężenia prądu, ze szkodą dla sprawności, ale z korzyścią dla poziomu bezpieczeństwa działania i konserwacji tych instalacji.

Driver HLG-600H-12 stanowi przykład urządzenia przystosowanego do tego typu wysokoprądowych zastosowań CV.

Dlaczego zasilanie LED jest tak ważnym i decydującym czynnikiem?

LEDy, jak wszystkie półprzewodniki, wykazują cechy dryftu temperaturowego. W zależności od zmiany temperatury, zmienia się również napięcie na złączu Vf komponentów. Aby sterować nimi w sposób prawidłowy, należy zawsze uwzględniać właśnie to zjawisko. Przytoczmy praktyczny przykład: zakładamy, że musimy zasilić obwód składający się z 50 diod LED połączonych szeregowo. Utrzymując natężenie prądu tego układu szeregu na stałym poziomie 0,35 A i stabilizując temperaturę złącza na wartości 85°C, otrzymamy wartość Vf wynoszącą 3,2 V dla każdej diody LED (nie uwzględniając ewentualnych tolerancji komponentu) oraz napięcie łączne na wyjściu drivera równe 160 V. Niemniej jednak, jeśli musielibyśmy włączyć obwód szeregowy diod LED w wyjątkowo niskiej temperaturze, sytuacja na wyjściu zasilacza byłaby zdecydowanie inna.

Na Rysunku 4 przedstawiono stosunek temperatury złącza do Vf (przy wartości prądu podanej uprzednio). Możemy zauważyć, że przy 0°C napięcie robocze diody wynosi 3,6 V, co pomnożone przez 50 daje nam ostateczną wartość wynoszącą 180 V – jest to wartość, którą zasilacz powinien być w stanie zapewnić, utrzymując prąd na stałym poziomie (w zastosowaniach stałoprądowych) lub redukując go proporcjonalnie w zastosowaniach stałomocowych. Jedną z ważniejszych cech odpowiedniego drivera jest to, że posiada on szeroki zakres pracy, zapewniający stabilną pracę LEDów w wyjątkowo szerokim zakresie temperatur oraz umożliwia włączenie serii LEDów również w przypadku niskich temperatur (funkcja „Cold Start”).

Rysunek 4. Stosunek temperatury do wartości Vf

Cold Start? Co to?

W driverach MEAN WELL cecha ta pozwala na modyfikowanie warunków pracy drivera podczas włączania na zimno systemu oświetleniowego. W poprzednim przykładzie pokazaliśmy, w jaki sposób dobry driver reaguje na zmiany temperatury LEDów, nie tylko utrzymując określone natężenie prądu, ale i równocześnie kontrolując, czy łączne napięcie nie przekroczy wartości granicznych przewidzianych dla danego systemu. Jako punkt odniesienia przyjmijmy model HLG-480H-C2100. Ze specyfikacji zawartych na Rysunku 5 wynika, że może on wytwarzać prąd o maksymalnej wartości 2,1 A, z maksymalną moc 481 W i jest w stanie skutecznie regulować napięcie (w trybie stałoprądowym) w zakresie od 114 V do 229 V.

Rysunek 5. Główne dane techniczne drivera HLG-480H-C2100

Na Rysunku 6 przedstawiono wykres, który ilustruje wspomniany powyżej zakres roboczy tego drivera (w kolorze szarym, zakres roboczy napięcia przedstawiono na osi X, zakres prądu na osi Y).

Rysunek 6. Standardowy (szary) i rozszerzony (biały) zakres roboczy dla funkcji cold-start

W przypadku normalnej pracy, po termicznym ustabilizowaniu systemu, stosunek pracy V-I będzie zawsze mieścił się w tej strefie. W przypadku włączania w ekstremalnie niskiej temperaturze, drivery MEAN WELL chwilowo „modyfikują” te zakresy, zwiększając aż o 20% napięcie robocze i jednocześnie redukując wytwarzany prąd.

Ten tymczasowy kompromis sprawia, że zasilacz pracuje w strefie białej (wskazanej na Rysunku 6), umożliwiając tym samym normalne uruchomienie systemu. Po termicznym ustabilizowaniu diod LED zostaną przywrócone standardowe parametry przewidziane w specyfikacji urządzenia.

Rysunek 7. Seria HVGC firmy Mean WELL, o dużej mocy i wszechstronności użytkowania

Czym jest funkcja „Flicker Free”?

W przypadku driverów LED o standardowej jakości, w warunkach roboczych przy napięciu zbliżonym do granicznych wartości regulacji, wysoki poziom pulsacji o niskiej częstotliwości na wyjściu z pierwszej sekcji zasilacza, uzależnia pracę kontrolera PWM, a w konsekwencji (pomimo jego stosunkowo wysokiej częstotliwości przełączania) udaje się wzrokowo dostrzec „migotanie” światła wytwarzanego przez diody LED. Zjawisko to jest związane z wysoką wartością składową resztkową o częstotliwości 100 Hz, wynikającą z pierwszej sekcji. W produktach MEAN WELL, dzięki rozwiązaniom zapewniającym niski poziom pulsacji w pierwszej sekcji oraz szeroki zapas pomiędzy napięciem szczytowym a maksymalną wartością regulowaną na wyjściu – gwarantowane jest działanie systemu oświetleniowego bez tego zjawiska.

Na przykład seria LDC MEAN WELL, wyjątkowo doceniana w domowych instalacjach oświetleniowych, posiada taką funkcję.

Jak można zasilać driver?

Zasadniczo, drivery mogą być zasilane szerokim zakresem napięć AC, które, zależnie od modelu, wynoszą od 90 V do ponad 300 V. Z korzyścią dla wszechstronności, niektóre wersje mogą być zasilane również napięciem stałym (DC) od 110 V do 430 V, w zależności od modelu.

Jakie połączenia znajdują się zasadniczo na wejściu i na wyjściu drivera?

W normalnych warunkach mamy do czynienia z połączeniami wejściowymi zasilania, AC lub DC oraz wyjściem przeznaczonym dla LED. W bardziej zaawansowanych modelach, poza prostymi połączeniami I/O znajdziemy również wejścia sterujące do regulacji (przyciemniania) emisji światła przez LEDy. W niektórych przypadkach znajdziemy również wejście do podłączenia ewentualnego czujnika temperatury otoczenia (NTC). Standardy połączeniowe w większości przypadków wynoszą 0-10 V i DALI.

Na czym polega standard „0-10 V”?

Sterowanie sygnałem 0-10 V znane jest od ponad dwudziestu lat i jest jednym z najprostszych, najbardziej rozpowszechnionych i sprawdzonych protokołów analogicznych sterowania jasnością driverów LED i zasilaczy do systemów oświetleniowych. Wejście sterujące wspiera napięcie DC, które może wynosić od 0 V (odpowiadające poziomu na wyjściu = 0%, światła zgaszone) do 10 V (wyjście = 100%, pełna jasność). System ten cechuje się licznymi zaletami, m.in.:

  • Liniowość regulacji od 0 do 100%
  • Bezpieczeństwo (w przypadku przerwania sygnału sterującego, wyjście drivera ustawiane jest na 100%)
  • Wyjątkową prostotę, niewymagającą złożonej elektroniki sterującej

Czym jest DALI?

DALI (Digital Addressable Lighting Interface) to cyfrowa ewolucja standardu 0-10V. Jest protokołem niepowiązanym z producentami, definiowanym w normie IEC62386, gwarantującym interoperacyjność urządzeń sterujących stosowanych w instalacjach oświetleniowych. Sterowanie cyfrowe jest zdecydowanie bardziej uniwersalne od standardu analogicznego 0-10 V i pozwala sterować i adresować pojedynczo aż 64 urządzeniami, które dodatkowo można podzielić na 16 grup i 16 oddzielnych scenariuszy sterowania. Ponadto, jego topologia liniowa (BUS), jak również gwiazdowa, umożliwia znaczne zmniejszenie stopnie skomplikowania okablowania.

Mam system automatyki domowej w standardzie KNX: czy istnieją drivery LED, które można połączyć?

Tak, na przykład modele serii LCM-KN MEAN WELL. KNX jest pierwszym standardem, który można zastosować w systemach inteligentnych budynków (building automation), spełniającym wymogi norm europejskich (EN50090 – EN13321-1) oraz światowych (ISO/IEC 14543). Aby zarządzać większymi mocami od tych, które proponuje seria LCM, można zastosować wejście KNX-DALI KDA-64, sterując w ten sposób innymi driverami, kompatybilnymi z DALI, lub też elementami wykonawczymi/ściemniaczami serii KAA.

Czy na wejściu można zastosować sygnał sterujący PWM?

Oczywiście. W modelach przewidujących tego typu rozwiązanie, oświetleniem można sterować również i w ten sposób. Sygnał kontrolny PWM (Pulse Width Modulation) zazwyczaj wykorzystuje źródło zasilania o stałym napięciu (10V), które następnie jest cyklicznie przerywane na okres zwany wypełnieniem (duty cycle) trwający od 0 do 100% wykorzystywanego przedziału czasowego, zgodnie z Rysunkiem 8 (na którym przedstawiono trzy przykłady z wartościami wynoszącymi 50, 75 i 25%).

Rysunek 8. Przykłady wypełnienia 50, 75 i 25%

Na wyjściu drivera uzyskane zostaną wartości proporcjonalne do wypełnienia sygnału wejściowego. Również ten rodzaj sterowania (analogicznego) cechuje się licznymi zaletami związanymi z prostotą okablowania i wykorzystaniem standardu 0-10V, ale jednocześnie posiada liczne ograniczenia. Aby uzyskać większą wszechstronność przy zastosowaniu sterowania PWM, można zainstalować specjalne cyfrowe konwertery.

Jakie interfejsy można stosować w celu wykorzystania tego typu sterowania?

Konwerter DALI-PWM DAP-04 MEAN WELL umożliwia pokonanie granic wynikających z zastosowania sterowania PWM, przyjmując na wejściu sygnał zgodnie ze standardami DALI i generując na wyjściu cztery sygnały PWM (adresowalne osobno), pozwalające sterować taką samą liczbą driverów z wejściami PWM z logiką Active-High lub Active-Low. Jest to wyjątkowo korzystne rozwiązanie, umożliwiające połączenie driverów LED nieposiadających możliwości sterowania cyfrowego.

Czy drivery LED są przystosowane do pracy na zewnątrz?

Oczywiście, chociaż nie we wszystkich przypadkach. Najlepszym sposobem na sprawdzenie, czy interesujący nas produkt przystosowany jest do pracy na zewnątrz (lub w pomieszczeniach częściowo zadaszonych) jest odszukanie jego stopnia ochrony IP w specyfikacji technicznej dostarczonej przez producenta. Te kody IP zostały ustalone przez Międzynarodową Normę IEC 60529 i wskazują szczegółowo poziom wodoodporności urządzeń elektrycznych. Zasadniczo jednak zawsze zaleca się ograniczanie przypadków, w których drivery narażone są na działanie czynników atmosferycznych i światła słonecznego. W razie wątpliwości, należy skonsultować się z obsługą klienta MEAN WELL, który będzie w stanie wskazać produkt najbardziej odpowiedni do potrzeb użytkownika.

Mam konkretne pytanie, z kim mogę się skontaktować?

Wsparcie techniczne TME z przyjemnością odpowie na Twoje pytania dotyczące driverów i interfejsów oraz pomoże dobrać urządzenie spełniające Twoje wymogi projektowe.

Więcej informacji: www.tme.eu
email:  tme@tme.pl
Tel. 42 645 54 54

Transfer Multisort Elektronik Sp. z o. o.
ul. Ustronna 41
93-350 Łódź, Polska