Napájení osvětlovacích LED diod

LED dioda má votampétovou charakteristiku typickou pro polovodičový přechod v propustném směru. Malým nárůstem napětí prudce narůstá proud, navíc napětí na LED diodě při vyšší teplotě klesá, což by při napěťovém napájení vedlo k dalšímu nárůstu proudu. Napájení LED diod ze zdroje konstantního napětí je proto z hlediska stabilního provozu nepřípustné. Pro napájení LED diod se používají zdroje konstantního proudu a LED diody se zapojují do série.

LED diody lze též napájet ze zdroje konstantního napětí přes odpor. Pro stabilizaci proudu by měl být na odporu úbytek alespoň 20% napětí LED diod. Na odporu vzniká výkonová ztráta, proto se u výkonových LED diod napájení přes odpor nepoužívá. Používá se však v LED páskách, kde každá trojice LED diod je připojená na 12V zdroj přes odpor.

Paralelní spojení LED diod nebo LED modulů je sice také možné, ale je potřeba dodržet několik zásad. Všechny paralelní LED diody (LED moduly) musí být na společném chladiči, aby měly stejnou teplou. Při umístění na samostatných chladičích nárůstem teploty jedné paralelní větve klesne na ledkách napětí a tím převezmou větší část proudu, než má další paralelní větev s nižší teplotou. Pokud je proud větší než ledky snesou, dlouho nevydrží. Ledky v paralelních větvích musí být stejného typu a pokud možno by měly být měřené a vybírané na stejné napětí při provozním proudu. Takhle dokáže SMD ledky třídit jen výrobce, ale není problém z několika hotových LED modulů spárovat stejné. Při paralelním provozu není dobré ledkám dávat maximální proud. Vždycky musíme počítat s tím, že se proud mezi paralelní větve nerozdělí úplně rovnoměrně. Paralelní připojení dvou modulů na proudový zdroj 1,5A by za těchto podmínek mělo být bezproblémové. Rovnoměrnějšímu rozdělení proudu se dá pomoct malými odpory v sérii s jednotlivými moduly. Stačí třeba využít odpor přívodů, které musí být k oběma perelelním modulům stejně dlouhé a se stejným průřezem.

Předřadníky

Zatím co LED žárovky obsahují příslušnou elektroniku pro napájení z 230 nebo 12V, pro moduly s výkonovými LED diodami musíme použít vhodný předřadník.

Pro LED diody se vyrábí široký sortiment předřadníků pro napájení ze sítě 230V. Mají obvykle pevně nastavený proud, takže výkon LED diod nelze řídit. Proud předřadníku musí souhlasit s proudem LED diod, případně může být nižší. Nesmí se použít předřadník s vyšším proudem.

U proudových zdrojů je uvedeno maximální výstupní napětí, které musí být větší, než provozní napětí připojeného LED modulu. Připojené LED diody napětí předřadníku omezí. U některých předřadníků se nesmí připojovat LED diody k zapnutému předřadníku. Vždy odpínáme předřadník od zdroje, nikdy LED diody od předřadníku. Předřadníku by z principu neměl vadit zkrat na výstupu, ale bývá tam uvedeno též minimální napětí. Takže raději přece jen nezkoušet. Předřadník typu step up pro stejnosměrné napájení by se mohl zničit provozem naprázdno (to už vůbec nezkoušet).

Někdy maximální napětí předřadníku může stačit i pro napájení více LED modulů v sérii. Není příliš výhodné zapojovat do série více svítidel, protože jednak při napětí nad 50V ztrácíme výhodu soustavy s bezpečným napětím a také v případě poruchy se bez dokumentace obtížně hledá přerušené místo. Další problém může nastat u některých předřadníků při delších přívodech k svítidlům s vyzařováním rádiového rušení z vedení. Výstup předřadníků nebývá příliš dobře odrušený, protože se předpokládá jeho umístění přímo u svítidla.

Některé předřadníky umožňují řízení výkonu triakovým stmívačem ve vypínači, nebo mají řídící vstup. Na něj můžeme připojit přijímač dálkového ovládání a jedním ovladačem pak řídit jas třeba i několika svítidel v místnosti.

Stejnosměrná soustava pro osvětlení?

Předřadník napájený přímo z 230V je jediná možnost při stávající 230V instalaci, kdy můžeme kombinovat LED svítidla s jinými typy svítidel napájenými ze sítě 230V. U nově vznikajících instalací, kde se už počítá výhradně s LED osvětlením, je též možnost použít centrální zdroj stejnosměrného napětí v rámci místnosti nebo celého domu a k svítidlům se dávají předřadníky napájené tímto napětím. Je to výhodné zejména v případě, kdy hodláme kombinovat napájení z distribuční sítě s napájením ze solárních panelů + baterie, nebo pokud chceme baterií zálohovat osvětlení při výpadku el. energie.

Stejnosměrné napájení z centrálního zdroje obvykle vychází jako soustava SELV, tedy s bezpečným napětím a instalaci by mohla provádět i osoba bez elektrotechnické kvalifikace. Před takovým přístupem bych však chtěl důrazně varovat. I od větší baterie se dá vyhořet, stejně jako od centrálního zdroje pro LED osvětlení. Vedení k svítidlům musí být jištěná podle průřezu vodičů a jejich uložení, výpočtem je nutné kontrolovat úbytky a zkratový proud pro spolehlivé vypnutí pojistky. Na rozdíl od soustavy 230V u nižšího napětí více vadí úbytky na vedeních a podle nich je nutné někdy použít i větší průřez vedení, než by stačil z hlediska proudové zatižitelnosti. Výpočet a projekt by měl dělat v každém případě elektrikář dle konkrétních podmínek (napětí zdroje, výkony, délky vedení). Příklad výpočtu osvětlovací soustavy v Excelu je zde, výpočet stačí naplnit vlastními daty a použít. Po dosazení délek vedení a příkonů svítidel vidíme úbytky a podle nich je možné v případě potřeby zvýšit průřez vodičů.

Výhodou stejnosměrné soustavy je pak mimo jiné odstranění problémů s blikajícími nebo slabě svítícimi svítidly (dle typu předřadníku) při vypnutém vypínači, což je ve střídavé soustavě dané kapacitním proudem mezi dráty v přívodu k vypínači.

V příkladu výpočtu jsou též vypočítané ztráty a konkrétně v mých podmínkách vychází největší ztráty 3W, 26 KWh/rok provozem naprázdno u trvale běžícího centrálního zdroje. Pro snížení této ztráty jsem použil pro 3f zdroj s výkonem 600W tři toroidy 200W se sníženým sycením, což jsou z hlediska příkonu naprázdno nejlepší běžně dostupné transformátory. Nějaký trvale běžící zdroj je v domě potřeba i pro jiné účely (zvonek, anténní zesilovače, regulace topení). Pro minimalizaci provozních ztrát je použit usměrňovač, kde jsou místo diod spínače MOSFET s nízkým úbytkem. Omezením ztrát usměrňovače se zároveň řeší problémy s jeho chlazením. Zdroj mám výpočtově mírně poddimenzovaný, ve skutečnosti však nikoliv. Jednak část svítidel je nastavena na nižší než maximální výkon, provozu zdroje pomáhá měnič ze solárního systému a také je nepravděpodobné, že budeme svítit všemi svítidly najednou.

Pro posouzení průběhu účinnosti trafa v závislosti na jeho zatížení je možné použít tento výpočet, do kterého zadáme jeho změřené parametry. Z primárního proudu naprázdno je potřeba započítat pouze činnou složku. Proud je potřeba buď měřit vektorově, nebo bez speciálního vybavení vyzkoušet takovou paralelní kapacitu, při které je proud nejmenší.

Nejlépe na příkon naprázdno vycházejí toroidní trafa, potom jádra Unicore (též orientované plechy, ale na plechách jsou ohyby kde je krystalická struktura narušená) a nejhorší je klasika - jádra skládaná z křemíkových plechů. Pokud však zdroj neběží trvale, jsou i tyto transformátory použitelné.

U toroidů je dobré pro výrobu zadat snížené sycení. Jednak se tím ještě sníží příkon naprázdno, ale také se tím omezí proudová špička při zapnutí. Ta vzniká v důsledku přechodového jevu, kdy se k magnetickému toku superponuje stejnosměrná složka. Trafo se pak při zapnutí přesytí, ztratí indukčnost a v závislosti na okamžiku zapnutí někdy vyhazuje pojistky.

Centrální zdroj též může být spínaný. V tomto jsem však konzervativní - zdroj a celá osvětlovací soustava je součástí stavby a tomu by měla odpovídat i životnost použitých prvků. Zatím co spínaný zdroj má životnost omezenou zpravidla elektrolytickými kondenzátory, dobře navržené a jištěné trafo je snad nezničitelné. 3f zdroj s 12 cestným usměrňovačem se obejde bez filtrační kapacity.

Volba napětí stejnosměrné soustavy

Volba napětí je závislá na zamýšleném typu LED modulů a předřadníků. Čím vyšší napětí soustava má, tím pracuje s menšími proudy a klesají ztráty na vedení, případně lze použít menší průřez vodičů. Při napětí 30V vychází u LED svítidel přibližně stejný proud, jako v soustavě 230V pro žárovky odpovídajícího světelného výkonu. Pokud používáme kombinaci se solárním napájením, napětí soustavy přizpůsobíme napětí baterie. U baterií Li-on a LiFePO4 můžeme využít jejich závislost napětí na stupni nabití. Nabitá baterie převezme napájení, pokud je její napětí vyšší, než napětí síťového zdroje. Baterie by se neměla vybíjet úplně jednak pro zvýšení její životnosti, ale také aby v ní dost energie zbylo pro případ výpadku sítě.

Pro stejnosměrné soustavy se používají dva typy předřadníků. Snižovací (step down, buck) a zvyšovací (step up). Maximální výstupní napětí předřadníku step down je vždy nižší než napájecí a pro spolehlivou regulaci proudu musí být napájecí napětí větší ještě o dostatečnou rezervu. V opačném případě hrozí, že např. při poklesu napětí poklesne i jas svítidel. U předřadníků step up je situace opačná. Výstupní napětí musí být o dostatečnou rezervu vyšší než vstupní. Při nárůstu vstupního napětí nad provozní napětí LED diod předřadník přestane regulovat a na výstup propustí plné vstupní napětí. Může tak dojít ke zničení LED diod i předřadníku.

Pro osvětlení míst, kam chodíme jen občas (sklep, půda ...) je možné ušetřit za step down předřadník a místo něj dát k LED diodám odpor. Odpor musí být náležitě výkonově dimenzovaný a musí mít dostatečný přístup chladícího vzduchu. Než dávat odpor do instalační krabice a čekat co se kde vytaví nebo shoří, to už je lepší tam dát ten předřadník. Jeho výkonová ztráta je proti odporu zanedbatelná.

Vzhledem k možné oxidaci kontaktů vypínačů by napětí nemělo být nižší než 24V. Zejména u kontaktů pokrytých vrstvičkou CdO je potřeba dostatečné napětí pro její proražení. Dříve se kontakty s CdO používaly pro svoji odolnost proti vzniku oblouku při rozpínání. U nových vypínačů splňujících směrnici RoHS by se již kadmium na kontaktech vyskytovat nemělo ... ale zas tam třeba bude oxidovat něco úplně jiného.

Pro malé osvětlovací soustavy, např. v místech bez přípojky el. energie není problém použít třeba baterii 12V dobíjenou solárním panelem a přes step up měniče napájet LED moduly s napětím přes 20V. Provedení vypínačů (materiál kontaktů) musí pro spolehlivou funkci tomuto napětí odpovídat.

Kombinace provozního a nouzového osvětlení

Při použití předřadníků a LED modulů Vaelektronik pro stejnosměrnou soustavu je možné pro vybraná svítidla použít předřadníky s funkcí nouzového osvětlení. Stejnosměrná soustava s napětím 30 až 50V se přes diodu zálohuje napětím 12V z baterie. Svítidla bez funkce nouzového osvětlení při 12V nesvítí a ani z baterie neodebírají proud. Předřadníky s funkcí nouzového osvětlení v LED modulu rozsvítí pouze tři ledky, při zapnutém vypínači svítí světlo i při výpadku el. energie. Je též možné dodat předřadníky, které se připojí na napájení přímo bez vypínače, provozním napětím jsou blokovány a světlo se rozsvítí pouze při provozu ze záložní baterie. Je tak možné ušetřit za samostatný rozvod nouzového osvětlení, případně za údržbu baterií v bateriových nouzových svítidlech.

Je též možné zálohovat celou osvětlovací soustavu na provozním napětí, záložní zdroj pak musí být dimenzovaný na plný výkon všech připojených svítidel. Toto řešení je výhodné pro toho, kdo chce pro svícení využívat vlastní solární systém. Oba zdroje (síťový i solární) mohou pracovat paralelně bez rizika, že by energie tekla zpět do distribuční sítě.