Устойчивост на LED осветителни тела на преходни пренапрежения

B системата за електроснабдяване понякога се случват върхови пренапрежения (токови удари), причинени от различни физически ефекти. Международният стандарт IEC 60664-1 разделя нормално очакваните върхови напрежения на различни нива на захранващи напрежения (категории пренапрежение).

Тези пренапрежения се предават на източници на светлина чрез баласти. Това може да се отрази на пиковите напрежения в зависимост от конструкцията на баластите, осветителните тела и т. н. В миналото тези пренапрежения рядко причиняваха някакви проблеми при конвенционалните осветителни тела и техните захранващи блокове.

Днес обаче съществуват нови аспекти по отношение на осветителните тела със светодиоди (LED). Лошите конструкции могат да доведат до искрене и следователно до повреда на LED модули или захранващи блокове.

Подходящите LED захранващи блокове и светодиодни модули, комбинирани с хармонизиран дизайн на осветителните тела, могат да помогнат за постигане на ефективна защита от преходни пренапрежения.

Осветителните тела са отнесени към категория на пренапрежение II в стандарта IEC 60664-1. Описаните в него мерки, например прилагането на препоръчаните отстояния и т.н., са свързани със защита срещу преходно пренапрежение като основа за осигуряване на достатъчно време на действие на осветителното тяло.

Ето защо тази защита е важна характеристика на производителността на осветителното тяло. Нормите, касаещи безопасността на осветителните тела и свързаните с нея изолационни разстояния през въздуха и на изолационни разстояния по повърхността на изолацията, не са засегнати.

Те се определят от съответните стандарти за безопасност. Стандартът IEC 61547 (EMC Immunity Requirements, Изисквания за устойчивост при електромагнитна съвместимост) предвижда тест за пренапрежение, предназначен за проверка на устойчивостта на осветителните тела на преходни пренапрежения.

За да се гарантира, че тестът е надежден, напрежението на генератора на пренапрежение трябва да се настрои на 2 kV (върхово напрежение) на L/N срещу PE. Съчетаването на дизайна на осветително тяло, захранващия блок и светодиодните модули означава, че ефективността на избраните защитни мерки може да се осигури само чрез проверка на осветителното тяло като цяло.

Освен това тестът за пренапрежение е ефективен само ако осветителното тяло е монтирано в реалистични условия по време на изпитването.

Ефективно изпитване на устойчивостта на осветителното тяло
Тестът за пренапрежение, описан в стандарта IEC 61547, представлява ефективна процедура за изпитание за устойчивост на осветително тяло или LED-модул, стига да са спазени следните условия: По време на изпитанието всички части на осветителното тяло, които на мястото на ползване биха могли да се свържат умишлено или неволно със земята, трябва да бъдат свързани надеждно с PE (заземлението на генератора на пренапрежение).

Примери за неволно свързване или установяване на капацитивна връзка със земния потенциал при монтаж на осветителното тяло са следните: монтаж на електрически проводим корпус на тялото към тухлена стена, стена от гипсокартон или окачен таван, укрепени чрез метална носеща конструкция.

Необходимостта от допълнителни заземявания (за целите на теста за пренапрежение) на частите на осветителното тяло се отнася най-вече за телата със защита от класове II и III. Тестът трябва да се проведе при пренапрежение от 2 kV (върхово) на L/N срещу PE.

Само ако са спазени тези изисквания по време на теста за пренапрежение LED модулът ще бъде изложен на същото високо ниво на натоварване, каквото възниква при лошо монтирано осветително тяло.

Подобряване на устойчивостта на осветителните тела
Разработени са редица мерки за защита на осветителните тела от преходни пренапрежения. Тези мерки са базирани на три различни вида обстоятелства. Първата мярка е да се използват захранващи блокове, за които няма данни да имат преходни пренапрежения на изхода за захранване на модули със светодиоди (LED).

Установени са два случая: блокове за захранване на LED модули без галванична изолация между изходното и входното напрежение; и захранващи блокове за LED модули с галванична изолация между изходното и входното напрежение (напр. за предпазно свръхниско напрежение - SELV).

Когато няма галванична изолация, изходното напрежение на LED модула се свързва галванично с напрежението в електрическата мрежа. Трябва да се спазват точните изолационни разстояния през въздуха и изолационни разстояния по повърхността на изолацията, съгласно IEC 60598 (напр. най-елементарна изолация срещу PE потенциал).

В зависимост от превключването, преходните пренапрежения в електрическата мрежа могат да бъдат усилени в захранващия блок. За да се гарантира достатъчна устойчивост на осветителното тяло и срещу тях, трябва да се съблюдават изолационни разстояния през въздуха и по повърхността на изолацията.

Те трябва да са і 2,5 mm при PE потенциала на изхода на захранващия блок и на LED модула (за електроводимите заземени елементи на LED модула, например PE, радиатора, корпуса). В случай, че захранващия блок на LED модула е с галванична изолация между изходното и входното напрежение, изходното напрежение на LED модула е галванично изолирано от напрежението в електрическата мрежа.

В този случай енергията на преходното пренапрежение може да бъде проведена само капацитивно през галваничната бариера (трансформатора) на изхода на LED захранващия блок и на LED модула. Количеството на енергията, пренесена до LED модула, е малко.

При системите със светодиоди от клас SELV (с предпазно свръхниско напрежение), малките изолационни разстояния през въздуха и по повърхността на изолацията, както и тънките изолационни фолиа, са достатъчни за изпълнение на изискванията за безопасност на системата.

Малките разстояния до PE потенциала (< 2,5 mm) могат да станат причина за искрене при земния потенциал. При инсталации в лоши условия (напр. LED модул с чувствително LED превключване и/или захранващ блок за LED с висок коефициент на пренос на свръхвисоко напрежение) това може да доведе до повреда на LED модула и/или на LED захранващия блок.

Алтернативна защитна мярка срещу преходни пренапрежения е използването на захранващи блокове с информация за преходното напрежение при LED изхода. Производителят на светодиодното осветително тяло може да използва информация за наличие на потенциално преходно пренапрежение на изхода на баластите, за да избере качество, подходящо за LED модулите.

Модули за защита срещу пренапрежение 
Повечето LED захранващи блокове са постояннотоков тип и често биват наричани LED драйвери. Те могат да бъдат закупени като готови, предварително асемблирани блокове, съдържащи металоксидни варистори с цел покриване изискванията от най-ниско ниво на устойчивост срещу пренапрежение.

Обикновено тези драйвери имат фабрична устойчивост на пренапрежения от 1 до 4 kV. Варисторът обикновено се намира след предпазителя на захранването с променлив ток от мрежата, и е с диаметър от 7 до 14 mm.

Но за да бъде осигурено по-високо ниво на устойчивост срещу пренапрежение, производителите на оригинални светодиодни осветителни тела за открит монтаж могат да инсталират защитни устройства срещу преходни пренапрежения (SPD) на захранващите линии с променлив ток на своите осветителни тела, преди самия LED драйвер.

В най-общия случай тестът за съвместимост на осветителните тела се извършва с изкуствено предизвикани токови удари с 20 kV/10 kA в Северна Америка и 10 kV/5 kA в Европа.

Модулите за защита срещу пренапрежение служат за предпазване на осветителните тела от високите напрежения, които понякога се появяват във външните светодиодни осветителни инсталации. В модулите за защита срещу пренапрежение се използват три или четири паралелно или серийно свързани металоксидни варистора, устойчиви на високо напрежение (с диаметри от 25 до 34 mm), монтирани на захранващата линия с променлив ток.

Металоксидните варистори се монтират от фаза към земя, от нула към земя и от фаза към нула. За инсталации в райони с неблагоприятни климатични условия, където има висок процент на мълнии и светкавици, обикновено се използват паралелно свързани металоксидни варистори, свързани с клемата “фаза-нула”.

Това повишава способността за защита срещу пренапрежение в диференциален режим и надеждността на осветителното тяло. При добавяне на тази допълнителна защита пред LED драйвера, много важно е характеристиките на металоксидните варистори да се подберат, така че да са съгласувани с тези на съществуващото устройство в драйвера.

Критерият за съгласуване при избор на металоксидни варистори е следният: трябва да се увери, че варисторите с по-големи дискове в модула на устройството за защита срещу пренапрежение ще се затворят първи, поемайки по-голямата част от енергията на токовия удар преди варисторите с по-малки дискове да се включат.

Това ще предотврати протичането на катастрофален ток през металоксидните варистори на драйвера и прекалено ранното включване на бушона, което може да се случи, ако варисторите на драйвера се включат първи.

Ето защо метал-оксидните варистори на модула за защита срещу пренапрежения трябва да имат по-ниска оценка за максимално продължително работно напрежение, отколкото варисторите в драйвера.

Защита срещу временно повишаване на напрежението
При мрежите с променлив ток загубата на връзка Нула-Земя може да се случи по такъв начин, че да има риск от поява на продължително пренапрежение при металоксиден варистор, който е предназначен за много по-ниско номинално продължително напрежение.

В условия на неограничено количество ток варисторът първо ще превключи на нисък импеданс (няколко ома), но заради голямото количество налична енергия, той най-често се поврежда почти мигновено. Но ако има консуматори, свързани с линията с променлив ток, които ограничават количеството ток, металоксидните варистори могат да прегреят и да предизвикват прегряване и на защитното устройство срещу преходни пренапрежения. В резултат може да се появи дим, газ и накрая пожар.

Проектиране и избор на предпазители
Предпазителите са устройства, чиято функция е да осигурят защита на компонентите и на цели електрически вериги чрез стопяване на стопяемия елемент при условия на свръхнатоварване. Предназначението им е да бъдат “слабите звена” в електрическата мрежа.

Предпазителите от всеки тип се подлагат на лабораторни тестове за определяне на количеството енергия, необходима са стопяване на стопяемия елемент; това се нарича „номинален рейтинг според защитния показател I2t” и се измерва в A2. Често пъти, най-добрият метод за избор на предпазители според показателя I2t е предназначен за условия, при които предпазителят трябва да издържи големи токови импулси с кратка продължителност.

Тестовете за устойчивост на пренапрежение на LED осветителни модули изискват съвместимост с вълнови форми в комбинация 8x20 ms. Предпазителите с различни конструкции може да не реагират по един и същ начин на пренапрежението, дори ако техният номинален I2t рейтинг надвишава този на енергията на вълновата форма.

Електрическите импулси на пренапрежение пораждат топлинни цикли, които могат да предизвикат механична умора на материала, от който е изработен предпазителя, и така да скъсят неговия живот.

Препоръчва да се извършват тестове в конкретните условия на приложение, за да се установи дали избраният предпазител би издържал на енергията на конкретната вълнова форма.