Kül- és beltéri LED-világítások túlfeszültség-védelme

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 az 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 –, ám 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 elleni védelemre 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 élvezhessenek, a tervezőknek következetesen kell alkalmazniuk azon védelmi megoldásokat, melyek a nemzetközi biztonsági előírásoknak és szabványoknak is megfelelnek.

A LED-meghajtás általános blokkdiagramja az alkalmazható védelmi megoldásokkal

Az alkalmazható áramkörvédelmi megoldások egy része közvetlen a LED-komponensek meghibásodása elleni védelmet, ezáltal a karbantartásmentes, hosszú működést szolgálja, mások az áramkör hibás működéséből eredő hőhatások, esetleges sérülések és tüzek keletkezését gátolják. Mivel a LED élettartama nagyban függ attól, hogy a keletkezett hőt miként vezeti ki a konstruktőr, a hőmenedzsment elsősorban a megfelelő hűtésre koncentrál. Fontos azonban a kiszámíthatatlan környezeti hatások okozta, 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 elleni védelem biztosítására a hűtőfelülettel hőkapcsolni is. Normálüzemben 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 keltette nagy hibaáramtól. A hálózati tranziensek, például nagy energiájú feszültségtüskék komolyan befolyásolják (csökkentik) a komplett fényforrás élettartamát.

Az ezek elleni védekezés PolySwitch LVR eszközök és fém-oxid varisztorok (MOV) kombinációjával valósítható meg. Túlfeszülség megjelenésekor 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 nemcsak viszonylag gyors lefolyású tranziensek, hanem akár percekig, órákig tartó abnormális túlterheléseknek is ki lehetnek téve, például hibás hálózatokon, vagy a transzformátorban fellépő nullvezeték-szakadás esetén, mint azt példaként ábránkon is bemutattuk.

Ilyenkor a MOV-ra eső feszültség a névleges értéke fölé emelkedik, a terhelés áramkorlátozó hatása miatt nem biztos, hogy az olvadóbiztosító ki fog oldani, emiatt az összes energia a MOV-ra összpontosul, és annak túlmelegedését, leégését okozhatja. A villámlás, az induktív vagy kapacitív terhelés hirtelen kapcsolása is olyan további tranzienseket indukálhat, melyek során fellépő extrém feszültség a varisztor hőtúlfutásához, felrobbanásához, illetve tűzhöz vezethet. A közelmúltban jelentek meg olyan melegedés elleni védelemmel ellátott MOV eszközök, melyek sokféle áramkör, így LED-alapú világítótestek védelmére is alkalmazhatók. Normálüzemi körülmények között a MOV kapcsain megjelenő hálózati feszültség nem haladja meg az eszközre jellemző maximális effektív értéket (V_ACRMS), és a tranziensek okozta energianövekedés sem terheli túl azt, azonban abnormális körülmények, például a nullavezeték esetleges megszakadása esetén meg kell védeni a folyamatosan nagy feszültségtranzienseknek kitett varisztort a hőmérséklet-túlfutástól. Ezt korábban sorosan kapcsolt TCO-val oldották meg, a szokásos séma pedig szükségessé tette egy túláramvédő eszköz, például olvadóbiztosító használatát is azért, hogy a túlterhelést okozó tranziensáramot is a szükséges minimum alatt tudjuk tartani.

A sok diszkrét védelmi elem helyett kézenfekvő integrált megoldást használni, ezt kínálja a Raychem AC 2Pro™ eszköze is, mely egy MOV és vele hőkapcsolt, egybe-tokozott, polimeralapú 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 nullvezeték megszakadása esetén olyan mértékű is lehetne, hogy a MOV tönkremeneteléhez és esetlegesen tűzhöz vezetne, ha nem lenne a rendszer része a szorosan hőkapcsolt 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 nullvezeték 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 védőmodul nagyobb méretű varisztorának előbb kell „megszólalnia", 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 a MOV1-en haladjon át.
A maximális folyamatos működési feszültségre (V_m) vonatkozó kiválasztási szabály a következő: V_m(MOV1) <= V_m(MOV2).
A maximális clampingfeszültségre (V_c) vonatkozó kiválasztási szabály a következő: V_c(MOV1) <= V_c(MOV2).
Esetlegesen érdemes az SPD-vel sorba kapcsolt induktivitást használni, mert így a 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 nagyrészt el is vezette, a LED-driverre még mindig jut túlterhelés, ami veszélyt jelent a driver komponenseire. Emiatt a helyi védelemnek együtt kell működnie az SPD-vel. A maradék túlfeszültség minimalizálásához gyors működésű és alacsony clampingfeszültségű varisztor szükséges. Az MOV2 clampingfeszültségét a MOV1-é felett kell tartanunk ahhoz, hogy az I₁ áramot maximalizáljuk, ezáltal az 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 túlfeszültség-védelmi megoldásaikkal kapcsolatban. Most egy új termékcsalád kapott helyet a palettán: a kifejezetten világítótestekhez kifejlesztett, túlfeszültségvédő modulok családja.

Az eszköz többféle vonali feszültségre kétféle kivitelben készül: 10000 A @ 8/20 µs és 20 000 A @ 8/20 µs 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 tokban kerül forgalomba, vonalanként 2500/5000 W (10/20 kA Peak Pulse Power – t_p = 10/1000 µs) energia elnyelésére képes.