- Індивідуальний захист світлодіода
- Параметри для пристроїв захисту
- Шунтуючі пристрої захисту
- Робота пристроїв захисту при обриві світлодіодів
- Захист забезпечує тривалий термін служби світлодіода
22 квітня 2015 р о 13:13 1195
У статті описуються найбільш поширені типи пристроїв захисту світлодіодних ланцюжків від перехідних імпульсних перешкод, що виникають в системі освітлення. Обговорюються основні параметри, які повинні враховуватися розробником при виборі пристрою захисту, і механізми відмов світлодіодів. Розглянуто приклади побудови схеми захисту світлодіодів з використанням метало-оксидних варисторів, обмежувальних діодів та інших пристроїв.
Світлодіоди є приладами, чутливими до теплового нагрівання, механічного удару, електростатичного розряду і індукованим розрядами блискавки викидів напруги. Зростання застосування світлодіодних ланцюжків в системах твердотільного освітлення і підсвічування дисплеїв вимагає, щоб розробники приділяли більше уваги надійності світлодіодних ланцюжків. Світлодіоди високої яскравості, які сформовані на сапфірових підкладках, особливо чутливі до імпульсних перешкод. Навіть в побутових додатках світлодіодним ланцюжках потрібні пристрої захисту від електростатичного розряду для того, щоб забезпечити тривалу і надійну роботу всього вузла. При відсутності такого захисту, якщо один світлодіод в послідовному ланцюзі виходить з ладу і розмикає ланцюг, всі інші світлодіоди вимикаються. Розробники повинні враховувати необхідність побудови схеми захисту для всієї системи від мережі змінного струму на вході до індивідуального світлодіода.
Існує широке розмаїття типів пристроїв захисту для джерел живлення і драйверів світлодіодів. На малюнку 1 як приклад зображена схема захисту імпульсного джерела живлення в світлодіодним системі вуличного освітлення. У цій схемі запобіжник в мережі змінного струму забезпечує захист в разі відмови в системі, який міг би викликати перевантаження по струму. При цьому він повинен витримувати викиди напруги амплітудою від 3 000 до 6 000 A і більш. Запобіжник по постійному струму призначений для швидкодіючої захисту від перевищення допустимого струму в разі відмови компонента в ланцюзі DC / DC-перетворювача або драйвера світлодіодів.
З боку входу мережі змінного струму також необхідно забезпечити захист від перенапруги і імпульсних перешкод. Вони часто викликаються розрядом блискавки, який стався поблизу, але можуть також виникати через перехідних процесів на шинах харчування при комутації. Зазвичай в якості пристроїв захисту для таких випадків перенапруги використовуються метало-оксидні варистори (Metal Oxide Varistor - MOV), по можливості в поєднанні з обмежувальними діодами (Ttransient Voltage Suppressor - TVS). У схемі захисту джерел живлення також потрібно передбачити ізоляцію лінії живлення від землі для запобігання можливості ураження струмом. Вимоги щодо забезпечення безпеки визначені в нормативних специфікаціях IEC / UL 60950-1, UL +1449 і IEC / UL 6500. На малюнку 2 представлено рішення, яке задовольняє цим вимогам. У цій схемі використовується метало-оксидний варистор і обмежувальний діод.
Крім того, захист від перенапруг необхідно передбачити для мікросхеми драйвера світлодіода. Належна розв'язка за допомогою конденсатора і обмежувальний діод, розрахований на напругу живлення драйвера лінії, забезпечать схему, досить стійку до викидів напруги.
Деякі виробники драйверів світлодіодів використовують в своїх пристроях схему, яка виявляє разомкнутую світлодіодну ланцюг, і в той же час не заважає схемою захисту ланцюга або підтримує її в робочому режимі, якщо відмовляє світлодіод. Надійна схема повинна забезпечувати захист ланцюга від перехідних перешкод і гарантувати нормальну роботу пристрою в разі виходу з ладу будь-якого світлодіода.
Індивідуальний захист світлодіода
Шунтуючі пристрій захисту в світлодіодним ланцюжку (див. Рис. 3) дозволить ланцюга працювати в розімкнутому стані в разі обриву в окремому светодиоде. Це також забезпечить захист драйвера світлодіода від зайвого зростання струму або напруги на ньому через відмову світлодіодним ланцюжка.
Коли мова йде про захист індивідуальних світлодіодів і ділянки послідовного ланцюга, в якій встановлена світлодіодна ланцюжок, вибір належного пристрої захисту має вирішальне значення. Для цього потрібні знання механізму потенційного відмови світлодіода і особливостей роботи різних видів пристроїв захисту. Це дозволить розробнику системи вибрати відповідне пристрій, в тому числі таке, яке дозволить зберегти в робочому стані послідовну світлодіодну ланцюжок, коли відмовляє один світлодіод, розмикаючи при цьому весь ланцюжок.
Спочатку розглянемо, як здійснюється управління світлодіодами, і обговоримо можливі режими відмов. Послідовно поєднана світлодіодна ланцюжок управляється постійним струмом, який генерується імпульсним джерелом живлення. Струм забезпечує необхідний рівень яскравості, колір і інтенсивність світіння світлодіодів. Така схема живлення постійним струмом гарантує ефективне управління яскравістю групи світлодіодів, а також рівномірну яскравість світіння світлодіодів в групі.
Світлодіоди - це досить чутливі твердотільні пристрої, які, по суті, є діодами з pn-переходом, що випромінюють світло при подачі на них напруги прямого зміщення. Основні механізми відмов світлодіода пов'язані з впливом механічних і теплових факторів; наприклад, теплові цикли, теплові удари і висока температура можуть викликати старіння і обрив дротяних з'єднань. Згодом при окисленні метал стає крихким, тому ймовірність відмов світлодіодів збільшується. Іншою поширеною причиною відмов світлодіодів є електростатичні розряди або викиди, індуковані розрядом блискавки.
Параметри для пристроїв захисту
Основними параметрами при виборі пристроїв захисту світлодіодів є номінальний струм і потужність світлодіода, пряме робоча напруга і вихідна напруга драйвера світлодіода. Типова номінальна потужність світлодіода високої яскравості лежить в діапазоні від 1 до 3 Вт. Максимальний струм, споживаний світлодіодом високої яскравості при його номінальної потужності можна визначити з рівняння:
I = P / Vf,
де I - струм, P - номінальна потужність світлодіода, а Vf - пряме напруга світлодіода.
Доступні світлодіоди різної номінальної потужності, тому ці величини будуть відповідним чином змінюватися. Крім того, світлодіоди, які випромінюють світло з різною довжиною хвилі (різні кольори світіння), мають різні падіння напруги. Наприклад, світлодіод червоного кольору світіння зазвичай має менше значення Vf, ніж світлодіод білого кольору світіння і тому споживає більший струм.
Основною проблемою надійності є безперервність роботи світлодіодним ланцюжка, в разі виходу з ладу одного світлодіода і розмикання ланцюга. У додатках, в яких потрібно високонадійний джерело світла, це може мати вирішальне значення. Багато додатків, призначені для роботи поза приміщеннями, такі як вуличне освітлення, розташовані над землею, тому доступ до них може бути складним. Відмова світлодіода, який призводить до розриву послідовного ланцюга, може привести до великих витрат і незручностей, так як необхідно буде провести ремонт всього вузла.
Шунтуючі пристрої захисту
Для захисту та запобігання виходу з ладу всього ланцюжка в разі відмови одного світлодіода необхідна установка шунтуючих пристроїв захисту на висновках світлодіода. Серед таких пристроїв можна виділити: метало-оксидні варистори, кремнієві тріодних тиристори (SCR), зенеровскіе діоди, полімерні пристрої захисту від електростатичного розряду і пристрої захисту при обриві світлодіода (open LED protector).
Метало-оксидні варистори найкраще підходять для захисту від досить сильних перехідних перешкод в лініях живлення, зазвичай викликаються розрядом блискавки і перемиканням великий індуктивного навантаження. На жаль, вони не є достатньо швидкодіючими пристроями для захисту світлодіода від слабших перехідних перешкод, які можуть викликати вихід з ладу світлодіода. Крім цього недоліку, в разі обриву світлодіода метало-оксидний варистор не забезпечує канал для проходження струму, тому вся світлодіодна ланцюжок відключається. В результаті виділяється на метало-оксидному варисторі тепло може також негативно впливати на роботу світлодіодів.
Кремнієві тріодних тиристори можуть проводити струм в обхід відмовив світлодіода, що зберігає решту світлодіодну ланцюжок в робочому стані. Тим не менш, це досить великі пристрої і для них зазвичай потрібно ланцюг резистивних дільників напруги для установки пускового напруги. Зміна пускового напруги кремнієвих тріодних тиристорів при різних температурах може бути дуже великим. Крім того, зворотне блокуюча напруга занадто велике, тому кремнієві тріодних тиристори не можуть забезпечити захист від неправильної полярності.
Зенеровскіе діоди можна використовувати для шунтування світлодіодів при обриві, і, як правило, вони набагато компактніше кремнієвих тріодних тиристорів, хоча і мають інші недоліки. Коли світлодіод виходить з ладу і утворюється разомкнутая ланцюг, зенеровскій діод повинен проводити весь струм послідовного ланцюга. Більшість зенеровскіх діодів мають порівняно низький номінальний струм, тому їх термін служби не буде тривалим в такому типі додатків. Режим стабілізації зенеровского діода може викликати тепловий удар в обмеженому просторі, що може привести до додаткових відмов світлодіода.
Полімерні пристрої захисту від електростатичного розряду призначені для високошвидкісних цифрових схем, а не для захисту ліній постійного струму, як у випадку світлодіодним ланцюжка. Вони мають більш високий динамічний опір, ніж кремнієві прилади, тому їх фіксований напруга зміщення занадто велике, щоб забезпечити захист чутливих світлодіодів. Крім того, вони не можуть забезпечити захист від перенапруг і захист від неправильної полярності.
Пристрої захисту при обриві світлодіодів розроблені спеціально для того, щоб зберегти решту світлодіодним ланцюжка в робочому стані в разі відмови світлодіода і обриву ланцюга. Це компактні кремнієві прилади, які встановлюються на висновки світлодіода. Діючи як шунтуючі пристрої, вони проводять струм в обхід відмовив світлодіода і зберігають решту світлодіодів ланцюжка в робочому стані. Деякі пристрої захисту при обриві світлодіодів забезпечують також захист від електростатичного розряду і захист від неправильної полярності, що знижує вартість схеми освітлення за рахунок усунення необхідності в додаткових компонентах захисту.
Робота пристроїв захисту при обриві світлодіодів
Пристрій захисту при обриві світлодіодів є двохвивідною прилад з внутрішнім запуском, який встановлюється на висновках світлодіода і здатний автоматично скидатися в початковий стан в разі самовідновлення або заміни світлодіода. Цей пристрій є ключем, який спрацьовує по напрузі і володіє малими струмами витоку (порядку одиниць мкА) і низьким опором у відкритому стані, що мінімізує споживану потужність (див. Рис. 3). На светодиоде у включеному стані падає приблизно 0,7 В, що недостатньо для включення пристрою захисту. При обриві світлодіода в ланцюзі виникає напруга, достатню для включення пристрою захисту (необхідну напругу виробляється схемою драйвера світлодіода). Крім того, пристрій захисту серії PLED6 від компанії LittleFuse має вбудовану схему, яка забезпечує захист світлодіода від викидів напруги, індукованих розрядом блискавки або електростатичним розрядом.
На малюнку 4 наведена вольт-амперна характеристика пристрої захисту серії PLED6, на якій показані ключові параметри цього пристрою - VBR, IS, IH, IT і VT. Напруга пробою VBR визначає область вольт-амперної характеристики пристрою від напруги в закритому стані до номінальної напруги пробою. У вимкненому стані VBR є безперервне пікове змінне і постійне напруга, прикладена до пристрою, при якому струм, що протікає через пристрій, що не перевищує 5 мкА (доступні різні номінальні значення VBR від 6 до 33 В DC). IS - це величина струму, при якому пристрій перемикається з вимкненого у включений стан, коли прикладено мінімальне значення напруги VBR. Зазвичай максимальна величина IS дорівнює 100 мА. Струм утримання IH - це мінімальна величина струму, яка потрібна для збереження пристрою в увімкненому стані (типове значення IH становить 5 мА). Напруга в відкритому стані VT - це максимальне напруження на пристрої в режимі повної провідності. IT - це максимальний номінальний струм, який може протікати через прилад у відкритому стані протягом 2 секунд (максимальне значення 1 А). Зазвичай, ток світлодіодним ланцюжка набагато менше цієї величини, що дозволяє пристрою захисту при обриві світлодіодів залишатися у включеному стані протягом нескінченно тривалого часу.
Є невеликі відхилення вольт-амперної характеристики різних серій пристроїв захисту при обриві світлодіодів, як показано на малюнку 5 для серії PLED5 від Littelfuse. Вольт-амперна характеристика в 3-м квадранті показує можливість захисту від неправильної полярності для даної серії.
Так як серйозною проблемою при роботі світлодіода є збереження теплових умов в допустимих межах, іншою перевагою таких пристроїв захисту при обриві світлодіодів служить широкий робочий температурний діапазон
(-40 ... 150 ° C). Крім того, вони мають низьку напругу в відкритому стані (близько 1,5 В) і низький струм у вимкненому стані. Тому, коли пристрій захисту включається, воно розсіює досить невелика кількість тепла.
Пристрої захисту при обриві світлодіодів також добре працюють спільно з різними методами управління яскравістю світлодіодів. Найкращим чином яскравість управляється за допомогою методу ШІМ-модуляції з частотою перемикання від 60 до 100 Гц, однак ШІМ може працювати на набагато більш високій частоті. ШІМ-регулювання яскравості забезпечує більш ефективне і більш точне управління яскравістю, ніж просте обмеження постійного струму, що може викликати небажані зміни кольору. До того ж, лінійне регулювання потужності знижує енергоефективність. У будь-якому випадку, пристрій захисту при обриві світлодіодів не вступатиме в конфлікт з обома методами регулювання яскравості. Пристрої захисту при обриві світлодіодів допускають частоту перемикання світлодіодів до 30 кГц, що виключає будь-які можливі негативні ефекти, наприклад, мерехтіння.
Ідеально, коли в схемі захисту відкритого світлодіода є один пристрій захисту для кожного світлодіода. Однак можна використовувати і менш дорогу схему захисту. Наприклад, можна встановити один пристрій PLED для двох послідовно з'єднаних світлодіодів, коли правильно обраний відкритий світлодіод. Відмова одного світлодіода призведе до того, що згаснуть два світлодіода, але така схема захисту стоїть на половину дешевше.
Захист забезпечує тривалий термін служби світлодіода
Для світлодіодів потрібен захист від електростатичного електрики, особливо в додатках, де необхідно забезпечити високу надійність, таких як критичні з точки зору безпеки системи освітлення, що використовуються в жорстоких умовах експлуатації. Насправді, зовнішні світлодіодні світильники можуть бути менш надійними, ніж звичайні системи освітлення, якщо розробники не забезпечать належний захист від найбільш сильних імпульсних перешкод.
Перша лінія оборони - це якісна схема захисту, яка поширюється від вхідного джерела живлення до окремого світлодіода. Пристрої захисту при обриві світлодіода можуть справлятися зі значними перехідними кидками напруги і зберігати світлодіодну ланцюжок в робочому стані, коли світлодіод виходить з ладу з обривом ланцюга. Забезпечуючи належний захист, ці пристрої є тільки частиною загального рішення, яке повинно включати запобіжники, метало-оксидні варистори і обмежувальні діоди для захисту імпульсного джерела живлення і драйвера світлодіода.
В даному прикладі світлодіодним системи вуличного освітлення
пристрої захисту входять до складу імпульсного джерела живлення
Мал. 3. Захист окремих світлодіодів в ланцюжку за допомогою відповідного шунтуючого пристрої не тільки зберігає решту ланцюжка світлодіодів в робочому стані, але також забезпечує захист драйвера світлодіода від надмірного зростання струму або напруги через відмову світлодіодним ланцюжка
Типова вольт-амперна характеристика пристрою
захисту при обриві світлодіодів
Третій квадрант цієї вольт-амперної характеристики
ілюструє можливість захисту від неправильної полярності
література
1. Phillip Havens, Jim Colby, Teddy To. Circuit-protection devices guard against electrical transients // LEDsmagazine, September / October 2010.
джерело:
www.russianelectronics.ru