Блок защиты для светодиодных ламп 220В
Главная и, пожалуй, единственная причина выхода из строя обыкновенных ламп накаливания, галогенных и люминесцентных лампочек – перегорание спирали. С точки зрения физики этот процесс легко объясним. С раскалённой спирали постоянно испаряются атомы вольфрама.
В обыкновенных лампах быстрее, в галогенных – медленнее. После выключения часть испарившихся атомов оседает назад на спираль, часть на колбу. Как следствие неравномерного оседания, со временем образуются истончённые участки. А что приводит в негодность светодиодные лампы?
Почему лампы перегорают?
Все лампы со спиралью накаливания работают по принципу термоэлектронной эмиссии, то есть при прохождении тока спираль раскаляется, излучая свет видимой части спектра. Интенсивность тепловыделения обратно пропорциональна толщине проводника, соответственно истончённые зоны спирали нагреваются значительно сильнее, теряя прочность. На этих участках и происходят разрывы.
В качестве методов борьбы с этой «болезнью» разработано множество схем плавного розжига спирали, что действительно способно значительно увеличить срок её службы. Все эти схемы относятся к устройствам защиты.
Наряду с устройствами защиты ламп со спиралью накаливания появляются устройства защиты светодиодных ламп. Казалось бы, для чего они нужны, если у светодиодов нет спирали…
Действительно, свечение кристалла светодиода происходит благодаря возбуждению электронов в полупроводниковом слое, а не за счёт раскалённой спирали. Но в основе эффекта лежит тот же эффект термоэлектронной эмиссии. С годами очень тонкий полупроводниковый слой прогорает. Если внимательно присмотреться к светодиодной лампочке через несколько лет её работы, можно заметит отдельные потускневшие или нерабочие кристаллы, у которых произошёл пробой слоя полупроводника.
Существует ряд факторов, способных существенно сократить срок жизни таких устройств. К ним относятся:
- Скачки напряжения;
- наведённая пульсация;
- паразитарная пульсация.
Скачки напряжения
Перепады в сети напряжения довольно привычное событие в нашей стране. Как ни странно, но к повышению напряжения выше номинального значения светодиодные лампы относятся достаточно спокойно. Драйверы питания способны легко с ними справиться.
Более опасны для светодиодов падения напряжения, когда за доли секунды ток, проходящий через полупроводниковый слой, падает, а потом возвращается к исходным величинам. Тогда в пространстве p-n перехода может произойти точечный пробой. Драйвер питания способен отсечь избыток тока, но не способен компенсировать его выраженное падение.
Защита светодиодных ламп частично решается установленным перед драйвером высоковольтным конденсатором средней ёмкости, играющим роль сглаживающего фильтра.
Фатальные скачки напряжения
Ситуация, которой я хочу коснуться скорее исключение из правил, тем не менее, такие случаи происходят с завидной регулярностью. Речь идет об ударах молний. Но не в линию электропередачи – такие ситуации как раз безопасны, поскольку из-за мгновенного расплавления проводов, заряд, скорее всего, не дойдёт до конечного потребителя электроэнергии. Опасны удары молний в непосредственной близости от линии электропередачи.
Напряжение коронного разряда достигает миллионов вольт и вокруг канала молнии образуется мощнейшее электромагнитное поле. Если в зоне его действия окажется линия передач, произойдет мгновенный скачок силы тока и напряжения.
Фронт нарастания амплитуды напряжения настолько быстрый, что защитные каскады электроники не успевают справиться и выгорают целые платы. В светодиодной лампочке будут многочисленные пробои кристаллов. Мы отнесли такие скачки напряжения к фатальным, поскольку адекватной защиты от такого форс-мажора нет.
При штатном режиме эксплуатации возникает такое явление как мерцание ламп в выключенном состоянии.
Подробно о мигании включенных ламп мы уже рассматривали в этой статье.
Наведённая пульсация
Сила тока, требующаяся для работы светодиодов очень мала — микроамперы. Если две линии внутриквартирной проводки находятся в непосредственной близости, а в одной из линий включена мощная нагрузка, электромагнитные волны способны возбуждать ток в проводнике достаточный для свечения светодиода.
Вечные светодиоды такой же миф, как и вечный двигатель. Каждый эпизод включения/выключения на чуть-чуть уменьшает срок его жизни. Никто не измерял такой параметр для светодиодов, но при частоте события пятьдесят раз в секунду (частота пульсации сети 50 Гц) даже очень большие числа — понятие относительное.
Паразитарная пульсация
Паразитарная пульсация светодиодной лампы возникает, когда для её включения используют выключатель с подсветкой. Через светодиод подсветки так же проходит достаточный ток для мигания светодиодов.
Наведённая и паразитарная пульсация – ведущий фактор риска для светодиодного освещения.
Наконец мы подошли к главной теме этого обзора — устройство защиты светодиодных ламп.
Блок защиты светодиодных ламп 220в представляет собой шунт с сопротивлением меньше, чем сопротивление светодиодов в лампочке. При возникновении паразитарных наводок они проходят через шунт, минуя лампу.
Одним из примеров таких устройств является вот такой девайс. Для активации защиты достаточно подключить его к клеммам входного напряжения драйвера питания светодиодной лампы. Применение даже такого элементарного способа защиты во много раз продлит срок жизни светодиодному освещению.
Чем защитить светодиодные светильники от скачков напряжения
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.
Три основных вида источников питания для светодиодов: Реактивное сопротивление конденсатора, импульсный драйвер на основе ШИМ и высоковольтный стабилизатор тока.
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. Достоинства:
1. Не греется.
2. Ток через конденсатор зависит от нагрузки, поэтому происхочит частичная независимость напряжения на каждом светодиоде от их количества, а значит и тока через каждый. Другими словами, если мы включим в цепь 100 светодиодо или 50, напряжение на каждом не изменится в 2 раза. Или если мы будем увеличивать емкость конденсатора в 2 раза, это не значит, что и напряжение увеличится в 2 раза. Все приводимые в инете формулы для расчета емкости в простейшем драйвере, эмпиричиские и не соответствуют действительности.
3. Дешевизни и минимум деталей. Как учили меня, чем проще схема, тем дольше она проработает. Идаже при аварии устранить поломку намного проще, чем в любом другом драйвере.
Недостаток один: пульсации свечения диодов. Только этот недостаток чисто теоретический — никто не доказал и не показал влияние этих пульзаций на организм. Покажите мне хоть одного ослепшего от прсмотра телевизора с вакуумным кинескопом.
Схема светодиодной лампы с гасящим конденсатором:
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.
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.
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.
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.
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:
1. Варистор.
2. Конденсатор.
3. Резистор.
Вот принципиальная схема. Вы можете её повторить.
Светодиодный драйвер: развенчание мифов.
Я уже не помню чью статью и откуда я когда-то скачал. Мне понравилась логика товарища и я этот текст скачал исключительно для внутреннено использования. Но «все течет и все меняется». Вот и у меня появились дополнения, изменения и, в некоторых вопросах, несогласие с автором. И по этому (да простит меня автор) я размещю этот материвл на своём сайте с некоторыми комментариями (этим цветом).
«При бросках. » — утверждение сильно спорное. В какой момент чаще всего «сгорает» лампочка? Правильно, при включении. В лампах накаливания это бросок тока в холодной нити накаливания, в «конденсаторной схеме» (КС) — переходные процессы при прохождении тока через конденсатор. Вспомним физику на уровне садика: выключатель, мгновеная подача напряжения (а если еще и с искрой. ) равнозначна сильно высокочастотному колебанию, а значит реактивное сопротивление конденсатора в этот момент приближается к нулю. Бросок тока достаточен что б «убить светодиод». Решение простое — в лучшем случае дросель или термистор на входе, в худшем просто резистор. Резистор ограничит бросок, но и малек полезный ток.
Товарищь «передернул карты». В моей молодости за такое за карточным столом пивной кружкой по лбу. Нельзя сравнивать временные интервалы нестабильности сети 220 В +/- 10% с пульзацией постоянного напряжения питания светодиодов. Тем паче нельзя сравнивать инертность излучения светодиода и лампы накаливания.
В предыдущем абзаце атор рассуждал о напряжении, а тут вдруг об токе. Опять кружкой. Повышение напряжения на 10% не значит, что и ток через светодиод увеличится на 10%. Не буду всех грузить квантовой физикой, просто проведите опыт. Подайте на диод 3V, а потом 3,3V. Сравните токи. Специально для автора сделал лабораторную работу: 3V →21,5mA; 3,3V→47,5mA. А это, прошу пардону, 220%!
Скоки-скоки. Ну ладно, описАлся, бывает. Имеется ввиду 50 Гц. Но спутать 50 Гц и 100 Гц это уже не описка. Это непонимание процесса. Просветление не помешает. Об гениальности промолчу.. .
Не спорю т.к. лично знаком с этими нормами, но когда на работе санэпидстанция меряла на моем рабочем месте, то тетка сравнивала лампочку накаливания монитор и свет за окошком. Монитор забраковали, а слнце от лампочки не отличалось.
Тут, батенька, Вы сам сабе кружкой.
1. То Вам 20% «рекламный ход» и ничего страшного, а тут уже 10% «зрение садится».
2. Открою секрет, визуально живой конденсатор и по емкости не отличается от негодного. Прочитай про ESR.
3. А конденсаторы дохнут не от того, что их сушит температура, а от безграмотного использования. В любых импульсных БП их надо шунтировать керамическими малой емкости. Они вздуваются медленно, но верно т.к. им на мозги постоянно капают очень короткие импульсы генератора высокой частоты с напряжением до 500V, которые можно обнаружить только на экране ВЧ осцилографа..