Особенности и характеристики блока аварийного питания для светодиодных светильников

Особенности терминологии

Проблема выбора начинается с весьма запутанной терминологии.

Блоком питания (БП) принято называть источник питания для радиоэлектронной аппаратуры, преобразующий электрическую энергию от сети для согласования ее параметров с входными параметрами отдельных узлов аппаратуры.

Подавляющее большинство светодиодов питаются от постоянного тока и имеют напряжение питания менее 4 В. Если соединить светодиоды последовательно, то такая цепочка будет иметь большее напряжение питания. По ряду причин соединение светодиодов в цепочки длиной более 15 штук практикуется очень редко. То есть напряжение питания массива светодиодов в осветительном приборе обычно не превышает 60 В. В то же время, сети электропитания, в зависимости от страны, дают напряжение 100 – 240 В переменного тока. Для согласования параметров питания светодиодов и параметров сети электропитания обязательно требуется блок питания.

Следует отметить, что термин «блок питания» является устоявшимся понятием, широко используемым в инженерной практике. Тем не менее, он не закреплен официально ГОСТ Р 52907-2008, в котором присутствует только определение источника питания. В прежнем варианте ГОСТ официально также было закреплено понятие «вторичный источник питания», которое в ГОСТ Р 52907-2008 отсутствует. Использование термина «блок питания» позволяет дистанцироваться от автономных источников питания, т.е. гальванических элементов и аккумуляторов.

\Кроме этого, для обозначения БП часто жаргонно используется термин «драйвер». На самом деле, драйвер — это устройство, которое стабилизирует ток, питающий светодиоды. Также некоторые драйверы способны регулировать световой поток у светодиодов, т.е. диммировать их. Но драйвер не выполняет функций преобразования питающего напряжения и выпрямления тока. Поэтому узел, отвечающий за питание светодиодов в светильниках на напряжение 12 или 24 В — это драйвер. Но при питании от сети 220 В речь идет именно о БП. Тем не менее, на некоторых БП можно встретить слово driver, означающее в данном контексте стабилизацию выходного тока.

Диммируемый БП Helvar со стабилизацией выходного тока

В светотехнике устройства, осуществляющие согласование параметров питания источников света и электросети, исторически назывались балластами или ПРА. Специалисты по светотехнике при переходе на светодиоды не стали отказываться от привычного для них терминов и стали использовать их применительно к БП для светодиодов.

Еще одним термином, которым не всегда правильно обозначают блоки питания в светодиодных светильниках, является «электронный трансформатор». Данное устройство, на самом деле, только преобразует напряжение в более низкое и повышает частоту переменного тока с 50 (или 60, в зависимости от стандарта электросети, принятого в стране) до нескольких единиц или десятков килогерц. Питание светодиодов напрямую от электронного трансформатора применяется только в гирляндах и другой аналогичной декоративной светотехнической продукции.

Терминология для светодиодных светильников в части устройств электропитания пока не закреплена ГОСТ, в проектах стандартов используется термин «электронное управляющее устройство».

Справедливости ради следует заметить, что путаница с терминологией распространена и за рубежом. Термин power supply unit (блок питания) или просто power supply (источник питания) в светотехнике используется крайне редко. В рекламных материалах часто встречается обозначение блока питания как driver (драйвер), а вообще, широко распространено использование обозначение БП в светодиодных светильниках как ballast (балласт).

Технология РоЕ

Тем не менее, прокладывать отдельную проводку для питания светодиодных светильников выгодно лишь тогда, когда здание строится заново, либо в нем проводится капитальный ремонт. Избежать необходимости прокладывать отдельную проводку можно, используя технологию питания через Ethernet (англ. Power over Ethernet, сокращенно РоЕ).

По кабелям локальных компьютерных сетей Ethernet передается не только цифровая информация, но и электропитание для сетевых устройств. Напряжение питания 48 В постоянного тока. В сетях Ethernet Cat5 и выше используется стандарт РоЕ plus (IEEE 802.3at-2009), допускающий подключать к сети нагрузку мощностью до 25,5 Вт на одно устройство. На самом деле, по кабелю Ethernet физически можно передавать питание с мощностью до 60 Вт, но так как это не соответствует нормам IEEE802.3at-2009, возможны проблемы с совместимостью.

Технологию РоЕ можно использовать для питания светодиодных светильников постоянным током в офисных зданиях. Главная проблема заключается в том, что для типичного офисного светильника, устанавливаемого в потолки типа «Армстронг», световой поток должен быть не менее 3000 лм, значит, чтобы светильник без проблем подключался к стандартной компьютерной сети, его полная светоотдача должна быть не менее 120 лм/Вт.

Пока столь высокая светоотдача всего устройства возможна лишь для дорогих светильников, ценой более 3000 руб. Поэтому выигрыш можно получить лишь в «умных» системах управления освещением, когда к каждому светильнику и так подходят провода компьютерной сети и не нужно тратиться на прокладку кабелей электропитания. Именно такой принцип реализован в светильнике компании Philips «Световые решения» с питанием по технологии РоЕ, представленном в 2014 году.

Схема подключения драйвера к светодиодам

Чтобы правильно подключить led-driver, необходимо найти маркировку на его корпусе. INPUT – означает место, куда нужно подключать входные провода, OUTPUT, наоборот, выходные – то есть светодиодную линейку

При этом важно соблюдать грамотное соединение по полюсам

https://youtube.com/watch?v=FjXnDQOiv4g

Полярность входа INPUT

Довольно просто подсоединить провода к led-driver, если напряжение постоянное. Жилу с плюсом нужно подсоединить к месту с обозначением «+», минусовую – на оставшийся контакт. Другое дело переменный ток, здесь может быть несколько вариантов:

1. Используются обозначения «L» и «N». На «L» подключается фазный провод, на «N» — нулевой.
2. Применяется символика «~», «АС». В таком случае полярность соблюдать не требуется.

Полярность выхода OUTPUT

На выходных контактах led-driver полярность соблюдается в любом случае. Так «+» подсоединяется к аноду первого лэд-элемента, а «-» к катоду последнего в цепи. При этом сами светодиоды последовательно соединены между собой в цепи – «катод-анод». Если светильников много, их можно собрать в несколько параллельных групп. Таким образом, выходная мощность будет равна суммарной мощности всех групп, а напряжение – аналогичному параметру только одной группы. При этом и сила тока всех групп также суммируется.

Подключение от 3 В батарейки

Батарейка напряжением 3 вольта может служить источником питания светодиода без дополнительных элементов. Его можно подключить напрямую, главным условием будет соблюдение полярности. Поскольку для LED чаще всего требуется больше 3 В, свечение будет слегка приглушенным. Удобнее всего подключить элемент к дисковому аккумулятору напряжением 3 В (такие установлены в компьютерах). Светодиод подключают через выключатель и упаковывают в небольшой корпус. Подобным образом часто изготавливают миниатюрные фонарики для подсветки замков и прочих объектов.

Можно изготовить небольшой преобразователь, к которому одновременно можно подключить 5 или 6 LED элементов. Для этого понадобится регулятор тока светодиодных ламп LM3410, вход которого присоединяют к аккумулятору 3 вольта, а на выходе появляется 24 В. Микросхема позволяет плавно регулировать яркость свечения LED элементов.

Классификация БП

По месту размещения БП делятся на внутренние (размещаются внутри корпуса светильника) и внешние (размещаются вне корпуса). При этом внешние БП могут идти в комплекте со светильником или приобретаться отдельно.

По своей конструкции БП можно разделить на две большие категории — изолированные и неизолированные. Особенностью изолированного БП является то, что его выход не имеет гальванической связи с входом. Благодаря этому достигается более высокий уровень электрической безопасности устройства. Электрический потенциал на выходе исправного БП изолированного типа ни при каких условиях не достигнет опасной величины. В принципе, БП изолированного типа — это и есть та самая классическая конструкция БП на основе трансформатора, используемая на протяжении многих десятилетий. К сети через преобразователь подключена первичная обмотка трансформатора, нагрузка через выпрямитель присоединяется ко вторичной обмотке. Отличия от классического варианта в том, что трансформатор работает не на частоте сети, а на более высокой частоте, а также в наличии гальванически развязанной обратной связи для стабилизации напряжения или тока. Изолированные БП стоят относительно дорого, но они хорошо справляются с бросками напряжения и импульсными помехами, которые есть в российских электрических сетях.

Неизолированные БП имеют гальваническую связь с выходом. Поэтому, хотя разница потенциалов между линиями на выходе такого БП представляет собой безопасную величину, не превышающую для светодиодных светильников значение 60 В постоянного тока, тем не менее, потенциал между одной из линий на выходе и землей может быть сопоставим с сетевым напряжением, т.е. принимать опасное значение. Преимуществами неизолированных БП являются компактность, низкая цена и немного больший КПД, чем у неизолированных БП. Поэтому неизолированные БП так любят производители очень дешевых светильников — помимо низкой стоимости БП, более высокий КПД позволяет использовать светодиоды с меньшей светоотдачей. Неизолированные БП также широко применяются в светодиодных лампах-ретрофитах, но здесь в ряде случаев без них обойтись нельзя из-за малых размеров.По причине низкой электробезопасности, неизолированные БП могут быть только внутренними. Недостатком неизолированных БП является проникновение на выход мощных импульсных помех, которые «гуляют» по сети. К тому же, при установке выключателя в разрыв нулевого провода (что бывает, когда светодиодные светильники устанавливают взамен существовавшего ранее освещения) светодиоды в светильнике, оснащенном таким БП, слабо светятся в выключенном состоянии. Все это приводит к преждевременному выходу светодиодов из строя.

Усовершенствованные неизолированные БП нередко жаргонно называют PFC от слов Power Factor Correction — корректировка коэффициента мощности. Они обладают большим значением коэффициента мощности по сравнению с обычными неизолированными БП — около 0,9 против 0,6. В таких БП частично решены проблемы, вызывающие преждевременный выход светодиодов из строя. Тем не менее, все равно, они проигрывают изолированным БП по части устойчивости к броскам напряжения.

Внешние блоки питания, не входящие в комплект поставки

На рынке встречаются светодиодные светильники, имеющие низкое напряжение питания (обычно 12 или 24 В). Они предназначены для питания от источника со стабилизированным выходным напряжением или от электронного трансформатора. Нередко БП в комплект поставки таких светильников не входит, что позволяет сэкономить средства, установив один БП на несколько светильников.  Если светильник допускает питание как от переменного, так и от постоянного тока, то лучше использовать постоянный ток, т.е. устанавливать БП, а не электронный трансформатор.

Выбирая внешний БП, следует иметь в виду, что максимальный КПД достигается в том случае, если нагрузка равна приблизительно 80% от номинального значения. Соответственно, умножив мощность подключенных к БП светильников на коэффициент 1,25, мы получим оптимальное значение номинальной мощности БП. Иногда мощность БП выбирают «на вырост» с учетом, что к нему позже дополнительно подключат светильники. Тогда суммарная мощность светильников «первой очереди» подключения должна быть в 1,2 раза больше минимальной мощности нагрузки БП, иначе будет срабатывать защита от холостого хода.

Применение внешнего блока питания, не входящего в комплект поставки, дает возможность повысить надежность системы, так как в светильники встроены только драйверы. Электронные компоненты в них работают при низких напряжениях, так что их качество не так критично. А модель БП пользователь выбирает самостоятельно, исходя из своих потребностей, и может запросить на него всю необходимую информацию у поставщика.

Достоинства и недостатки ленты 220 В

Светодиодные ленты с прямым
питанием от 220 В имеют важные преимущества:

• не требуют использования блока питания;
• способны обеспечивать световое оформление
  участков большой длины;
• относительно недороги и доступны;
• демонстрируют хорошую работу в условиях улицы,
  особенно при низких температурах воздуха.

Говоря о
достоинствах LED лент на 220 В, следует упомянуть и о недостатках. Их немало:

большая протяженность ленты не только важное
достоинство, но иногда серьезный недостаток. Подсветить небольшой отрезок таким
устройством не удастся;
ленты, предназначенные для питания от 220 В, не
имеют липкого слоя, что несколько усложняет монтаж;
простота подключения имеет оборотную
сторону — отсутствие гальванической развязки ленты, которая становится
опасной и требует надежной изоляции всех соединений

Кроме того, для исключения
опасности поражения электротоком необходима защита не ниже IP67;
нагрев светодиодов достаточно велик, а
возможности теплоотведения у них практически нет. Обычно такие ленты хорошо
защищены от внешних воздействий, но, с увеличением надежности защиты резко
уменьшается возможность охлаждения. Это является причиной использования
преимущественно в уличных условиях;
выпрямитель, имеющийся в стандартном проводе
питания, не имеет сглаживающего конденсатора. Это делается из соображений
компактности, но в результате светодиоды при включении начинают мерцать с
частотой 100 раз в секунду (100 Гц). это не заметно невооруженным глазом, но
человеческий мозг способен воспринимать мерцание такой частоты. Оно оказывает
отрицательное воздействие, по санитарным нормам от него следует избавляться;
подобные светильники недороги, что означает использование
материалов низкого качества. Силикон, которым покрыта лента для защиты от
влаги, издает заметный запах, который усиливается при нагреве. Это является еще
одной причиной преимущественного использования на улице.

Количество недостатков превосходит достоинства, но это не настолько страшно, как может показаться. Назначение светодиодных лент на 220 В — подсветка наружных конструкций значительной протяженности. Некоторые из минусов ленты таким образом попросту нивелируются — например, нагрев или запах силиконового покрытия. Мерцание также мало влияет на органы восприятия людей, поскольку подобную подсветку никто не рассматривает подолгу.

Заметным недостатком можно считать невозможность прямого подключения RGB светильников. Каждый из них фактически представляет собой три ленты, нуждающиеся в обособленном питании. Световые эффекты, демонстрируемые разноцветными конструкциями, управляются контроллером, который параллельно является блоком питания.

Обойтись без него нельзя — будет гореть либо только один цвет, либо сразу все три. Кроме того, размер RGB лент не превышает 5 м, что для уличных инсталляций слишком мало.

Выбор источника питания для светодиодной ленты

Для того чтобы наслаждаться приятным и необычным освещением, следует правильно подобрать источник питания. Этот шаг очень важный, так как при неправильном выборе светодиоды могут сгореть, а изделие выйдет из строя.

Факторы, влияющие на выбор источника питания для светодиодных лент

При выборе источника (блока) питания для светодиодных лент следует ориентироваться на следующие параметры:

1. Напряжение питания ленты.
2. Её потребляемая мощность.
3. Необходимая степень защищенности оборудования от воздействия влаги.

В качестве примера возьмём светодиодную ленту SMD 3528 длиной 6 м (60 диодов/м).

Напряжение питания светодиодной ленты

Как уже говорилось выше, все светодиодные ленты делятся на изделия, которые питаются от 12 В и 24 В соответственно. Естественно, что и выходное напряжение источника должно быть равным одному либо другому значению. Итак, для того чтобы узнать напряжение питание светодиодной ленты:

1. Открываем её технические характеристики и ищем интересующий параметр.
2. Видим, что лента питается от напряжения в 12 В.

В соответствии с найденным значением напряжения и осуществляем подбор блока питания.

Мощность, потребляемая светодиодной лентой

Для расчёта мощности источника питания следует снова обратиться к техническим характеристикам светодиодной ленты. На этот раз нас интересует значение мощности, потребляемой на метр изделия (P_ленты=4,8 Вт/м).

1. По условию нужно обеспечить питанием светодиодную ленту длиной в 6 метров, а значит для того чтобы найти полную мощность, которую потребляет лента (P_потр), воспользуемся следующей формулой: P_потр= P_ленты × L= 4,8 Вт/м × 6 м = 28,8 Вт.
2. Стоит отметить, что блок питания по данному параметру следует выбирать с запасом (порядка 30–33%). Поэтому нам понадобится источник постоянного тока на 12 В мощностью 28,8 х 1,33 = 38,3 ≈ 40 Вт.

Защита от воздействия влаги

Это ещё один важный фактор, который следует учитывать при выборе источника питания. При выборе по этому критерию сначала надо определиться с местом его установки. Если планируется организация светодиодного освещения в ванной комнате, то необходимо выбрать блок питания, обладающий влагозащитными свойствами (IP 65 или IP 68). В обычном жилом помещении сухого типа — спальня или гостиная — можно использовать простой интерьерный источник.

Однако для того чтобы выбор источника был на 100% правильным, кроме описанных выше факторов, следует подобрать подходящий тип, основываясь на его преимуществах и недостатках.

Типы источников питания

В настоящее время выпускают четыре типа источников питания для светодиодных лент.

Таблица: преимущества и недостатки различных типов источников питания

Производители блоков питания для светодиодных лент

Наиболее популярными и востребованными производителями блоков питания для светодиодных лент являются:

1. Cool Neon. Выпускает обширную линейку светодиодных трансформаторов, которые могут использоваться для решения различных целей и задач. Продукция компании оснащена встроенными защитными устройствами и может использоваться при температуре от -25 до +45 °С. Средний срок службы — более 25 тыс. часов.

• Lightech. Производит блоки питания, которые обеспечивают высокую стабильность работы светодиодной продукции в том числе и лент, использующихся при температуре от -30 до +50 °C. Продукция компании в основном рассчитана на эксплуатацию в течение 50 тыс. часов и более. Особенностями этих моделей являются:
  1. Широкий диапазон входных напряжений.
  2. Устойчивость к механическим ударам и вибрациям.
  3. Защита от перегрева корпуса.
  4. Стойкость к импульсным помехам в сети.
  5. Встроенная защита от короткого замыкания.

• UnionElecom. Компания изготавливает источники, которые отличаются высоким качеством исполнения и надёжностью. Они предназначены для работы в диапазоне от -40° до +50 °С, что позволяет устанавливать их не только в помещении, но и на улице. Для уличных источников питания срок эксплуатации составляет свыше 40 тыс. часов, а также действует индивидуальная гарантия сроком на 36 месяцев. Особенности оборудования UnionElecom:
  1. Компактные размеры.
  2. Защита IP 68.
  3. Высокое качество сборки, которая производится исключительно на территории завода-производителя в Южной Корее.
  4. Оптимальное соотношение цена — качество.

Статья из журнала Радио

Основа БП — микросхема BP2857D (см. даташит). При желании можно удалить помехоподавляющий фильтр C1-C4L1L2RU1, пассивный корректор коэффициента мощности (микросхема не имеет встроенной функции коррекции коэффициента мощности) VD5-VD7C6C7R1 и увеличив ёмкость конденсатора С5 до 33 мкФ. Источник, собранный по данной схеме, имеет следующие технические характеристики:

• Входное переменное напряжение 165…265 В
• Выходной ток 350 мА
• КПД не менее 93%
• Нестабильность выходного тока не более 3%
• Интервал выходного напряжения 60…110 В
• Коэффициент пульсаций светового потока 1%
• Коэффициент потребляемой мощности (PF) 0,91

В момент подачи сетевого напряжения встроенный в микросхему DA1 полевой транзистор открыт. Ток протекает по цепи: плюс диодного моста (корректора коэффициента мощности), сток полевого транзистора (выводы 5 и 6 микросхемы DA1), исток (вывод 8), токоизмерительный резистор R2-R4, дроссель L3, нагрузка, минус диодного моста. В это время дроссель накапливает энергию, одновременно заряжается конденсатор С10. Когда полевой транзистор закроется, нагрузка начнёт питаться запасённой в конденсаторе С10 энергией, а дроссель L3 станет поддерживать ток через диод VD9, подпитывая конденсатор С10. Микросхема DA1 контролирует напряжение на конденсаторе С10 через делитель R8R9C8.

Вывод 8 микросхемы является одновременно и истоком полевого транзистора, и входом токоизмерительной цепи. Падение напряжения на датчике тока R2-R4 служит для контроля микросхемой протекающего через полевой транзистор и нагрузку тока. Моменты открывания и закрывания коммутирующего полевого транзистора зависят от уровней напряжения на выводах 8 и 2 микросхемы. Запуск и питание микросхемы осуществляются через делитель R5-R7. Цепь R10VD8, подключённая к выводу 4 микросхемы, — дополнительное питание в рабочем режиме. Три параллельно включённых резистора R2-R4 позволяют выставить выходной ток с большой точностью. При желании можно обойтись и одним резистором мощностью 0,5 Вт.

Гантелевидный дроссель L1 — стандартный, подходящего размера, с индуктивностью 3 мГн и допустимым током не менее 150 мА. Вместо диодов SMA4007 (VD1-VD4) можно использовать любые малогабаритные выпрямительные для поверхностного монтажа с допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Диоды корректора мощности VD5-VD7, а также VD8 — малогабаритные быстродействующие FR107FH в исполнении для поверхностного монтажа или аналогичные. Диод VD9 — сверхбыстродействующий HS1K или аналогичный. Для выходного тока 350 мА резисторы токоизмерительного шунта R2-R4 должны иметь сопротивление 1,6 Ом каждый.

В общем схема вполне приличная и рекомендуемая к повторению, единственный недостаток — нет гальванической развязки от сети. Автор схемы: В. Лазарев, г. Вязьма Смоленской обл. Испытание и фото: djsanya123

   Обсудить статью СЕТЕВОЙ БЛОК ПИТАНИЯ ДЛЯ LED СВЕТИЛЬНИКОВ

Как подобрать

Правильный подбор led-driver для питания светодиода должен учитывать следующие параметры:

• Значение напряжения на входе.
• Величину выходного напряжения.
• Ток на выходе.
• Выходную мощность.
• Влаго- и пылезащиту.

Основной принцип правильного выбора драйвера для светодиода – начинать расчет его характеристик только после того, как будет точно известно количество источников света и их основных параметров (прежде всего мощности) в планируемой схеме. Кроме того, необходимо заранее знать условия эксплуатации электрооборудования – в помещении или на улице, каковы параметры колебания температуры и влажности, а также действие атмосферных осадков.

Далее нужно правильно рассчитать выходные параметры для led-driver. Прежде всего это напряжение. Подсчитывается следующим образом – необходимо суммировать значение всех лед-элементов в цепочке. Например, если в схеме 5 диодов по 3 вольта, в сумме получится 5х3=15 вольт. При этом нужно учесть, что соединение светильников будет последовательное. Во входных характеристиках есть еще одна величина – сила тока. Она будет одинакова для всех ламп.

Например, если ее значение 500 мА для каждого диода, то led-driver должен обладать выходным параметрами – 15 В и 0,5 А. Что касается силы тока, то она должна быть либо равна расчетной, либо ниже. Если будет выше, то лампы быстро (если не сразу после включения) сгорят. Также потребуется рассчитать и мощность. Для этого нужно перемножить выходное напряжение на силу тока – 15х0,5=7,5 Вт. Причем лучше будет, если мощность драйвера будет немного выше на 20% расчетного значения.

Получается, требуется led-driver на 9 Вт, 15 В и 0,5 А. Место размещения драйвера имеет большое влияние на его внешний вид. Устройство может быть с защитным корпусом и без. Последний ставят внутрь ламп с надежной оболочкой. Если же требуется хорошая влаго- и пылестойкость, то лучше приобретать модели первого типа.

При сборке схемы с лэд-драйвером своими руками для подсветки необходимо покупать только однотипные светодиоды из одной партии. В противном случае они могут иметь существенный разброс характеристик, что приведет к неравномерному их свечению и быстрому выходу из строя элементов, работающих на пределе.