Устройства защиты предохраняют светодиоды от импульсных помех

Опубликовано: 22 апреля 2015 г. в 13:13, 377 просмотровКомментировать

В статье описываются наиболее распространенные типы устройств защиты светодиодных цепочек от переходных импульсных помех, возникающих в системе освещения. Обсуждаются основные параметры, которые должны учитываться разработчиком при выборе устройства защиты, и механизмы отказов светодиодов. Рассмотрены примеры построения схемы защиты светодиодов с использованием металло-оксидных варисторов, ограничительных диодов и других устройств.

Светодиоды являются приборами, чувствительными к тепловому нагреву, механическому удару, электростатическому разряду и индуцированным разрядами молнии выбросам напряжения. Рост применения светодиодных цепочек в системах твердотельного освещения и подсветке дисплеев требует, чтобы разработчики уделяли больше внимания надежности светодиодных цепочек. Светодиоды высокой яркости, которые сформированы на сапфировых подложках, особенно чувствительны к импульсным помехам. Даже в бытовых приложениях светодиодным цепочкам нужны устройства защиты от электростатического разряда для того, чтобы обеспечить длительную и надежную работу всего узла. При отсутствии такой защиты, если один светодиод в последовательной цепи выходит из строя и размыкает цепь, все другие светодиоды выключаются. Разработчики должны учитывать необходимость построения схемы защиты для всей системы от сети переменного тока на входе до индивидуального светодиода.

Существует широкое разнообразие типов устройств защиты для источников питания и драйверов светодиодов. На рисунке 1 в качестве примера изображена схема защиты импульсного источника питания в светодиодной системе уличного освещения. В этой схеме предохранитель в сети переменного тока обеспечивает защиту в случае отказа в системе, который мог бы вызвать перегрузку по току. При этом он должен выдерживать выбросы напряжения амплитудой от 3 000 до 6 000 A и более. Предохранитель по постоянному току предназначен для быстродействующей защиты от превышения допустимого тока в случае отказа компонента в цепи DC/DC-преобразователя или драйвера светодиодов.

Со стороны входа сети переменного тока также необходимо обеспечить защиту от перенапряжения и импульсных помех. Они часто вызываются разрядом молнии, который произошел поблизости, но могут также возникать из-за переходных процессов на шинах питания при коммутации. Обычно в качестве устройств защиты для таких случаев перенапряжения используются металло-оксидные варисторы (Metal Oxide Varistor — MOV), по возможности в сочетании с ограничительными диодами (Ttransient Voltage Suppressor — TVS). В схеме защиты источников питания также требуется предусмотреть изоляцию линии питания от земли для предотвращения возможности поражения током. Требования по обеспечению безопасности определены в нормативных спецификациях IEC/UL 60950-1, UL 1449 и IEC/UL 6500. На рисунке 2 представлено решение, которое удовлетворяет этим требованиям. В этой схеме используется металло-оксидный варистор и ограничительный диод.

Кроме того, защиту от перенапряжений необходимо предусмотреть для микросхемы драйвера светодиода. Надлежащая развязка с помощью конденсатора и ограничительный диод, рассчитанный на питающее напряжение драйвера линии, обеспечат схему, весьма устойчивую к выбросам напряжения.

Некоторые производители драйверов светодиодов используют в своих устройствах схему, которая обнаруживает разомкнутую светодиодную цепь, и в то же время не мешает схеме защиты цепи или поддерживает ее в рабочем режиме, если отказывает светодиод. Надежная схема должна обеспечивать защиту цепи от переходных помех и гарантировать нормальную работу устройства в случае выхода из строя какого-либо светодиода.

Индивидуальная защита светодиода

Шунтирующее устройство защиты в светодиодной цепочке (см. рис. 3) позволит цепи работать в разомкнутом состоянии в случае обрыва в отдельном светодиоде. Это также обеспечит защиту драйвера светодиода от излишнего роста тока или напряжения на нем из-за отказа светодиодной цепочки.

Когда речь идет о защите индивидуальных светодиодов и участка последовательной цепи, в которой установлена светодиодная цепочка, выбор надлежащего устройства защиты имеет решающее значение. Для этого требуются знания механизма потенциального отказа светодиода и особенностей работы различных видов устройств защиты. Это позволит разработчику системы выбрать подходящее устройство, в том числе такое, которое позволит сохранить в рабочем состоянии последовательную светодиодную цепочку, когда отказывает один светодиод, размыкая при этом всю цепочку.

Вначале рассмотрим, как осуществляется управление светодиодами, и обсудим возможные режимы отказов. Последовательно соединенная светодиодная цепочка управляется постоянным током, который генерируется импульсным источником питания. Ток обеспечивает необходимый уровень яркости, цвет и интенсивность свечения светодиодов. Такая схема питания постоянным током гарантирует эффективное управление яркостью группы светодиодов, а также равномерную яркость свечения светодиодов в группе.

Светодиоды — это довольно чувствительные твердотельные устройства, которые, по существу, являются диодами с p-n-переходом, излучающими свет при подаче на них напряжения прямого смещения. Основные механизмы отказов светодиода связаны с воздействием механических и тепловых факторов; например, тепловые циклы, тепловые удары и высокая температура могут вызвать старение и обрыв проволочных соединений. Со временем при окислении металл становится хрупким, поэтому вероятность отказов светодиодов увеличивается. Другой распространенной причиной отказов светодиодов являются электростатические разряды или выбросы, индуцированные разрядом молнии.

Параметры для устройств защиты

Основными параметрами при выборе устройств защиты светодиодов являются номинальный ток и мощность светодиода, прямое рабочее напряжение и выходное напряжение драйвера светодиода. Типовая номинальная мощность светодиода высокой яркости лежит в диапазоне от 1 до 3 Вт. Максимальный ток, потребляемый светодиодом высокой яркости при его номинальной мощности можно определить из уравнения:

I = P/Vf,

где I — ток, P — номинальная мощность светодиода, а Vf — прямое напряжение светодиода.

Доступны светодиоды различной номинальной мощности, поэтому эти величины будут соответственно изменяться. Кроме того, светодиоды, которые излучают свет с различной длиной волны (различные цвета свечения), имеют разные падения напряжения. Например, светодиод красного цвета свечения обычно имеет меньшее значение Vf, чем светодиод белого цвета свечения и поэтому потребляет больший ток.

Основной проблемой надежности является непрерывность работы светодиодной цепочки, в случае выхода из строя одного светодиода и размыкания цепи. В приложениях, в которых требуется высоконадежный источник света, это может иметь решающее значение. Многие приложения, предназначенные для работы вне помещений, такие как уличное освещение, расположены над землей, поэтому доступ к ним может быть затруднительным. Отказ светодиода, который приводит к разрыву последовательной цепи, может привести к крупным расходам и неудобствам, так как необходимо будет произвести ремонт всего узла.

Шунтирующие устройства защиты

Для защиты и предотвращения выхода из строя всей цепочки в случае отказа одного светодиода необходима установка шунтирующих устройств защиты на выводах светодиода. Среди таких устройств можно выделить: металло-оксидные варисторы, кремниевые триодные тиристоры (SCR), зенеровские диоды, полимерные устройства защиты от электростатического разряда и устройства защиты при обрыве светодиода (open LED protector).

Металло-оксидные варисторы лучше всего подходят для защиты от довольно сильных переходных помех в линиях питания, обычно вызываемых разрядом молнии и переключением большой индуктивной нагрузки. К сожалению, они не являются достаточно быстродействующими устройствами для защиты светодиода от более слабых переходных помех, которые могут вызвать выход из строя светодиода. Кроме этого недостатка, в случае обрыва светодиода металло-оксидный варистор не обеспечивает канал для прохождения тока, поэтому вся светодиодная цепочка отключается. В результате выделяющееся на металло-оксидном варисторе тепло может также негативно влиять на работу светодиодов.

Кремниевые триодные тиристоры могут проводить ток в обход отказавшего светодиода, что сохраняет остальную светодиодную цепочку в рабочем состоянии. Тем не менее, это достаточно крупные устройства и для них обычно требуется цепь резистивных делителей напряжения для установки пускового напряжения. Изменение пускового напряжения кремниевых триодных тиристоров при различных температурах может быть весьма большим. Кроме того, обратное блокирующее напряжение слишком велико, поэтому кремниевые триодные тиристоры не могут обеспечить защиту от неправильной полярности.

Зенеровские диоды можно использовать для шунтирования светодиодов при обрыве, и, как правило, они намного компактнее кремниевых триодных тиристоров, хотя и имеют другие недостатки. Когда светодиод выходит из строя и образуется разомкнутая цепь, зенеровский диод должен проводить весь ток последовательной цепи. Большинство зенеровских диодов имеют сравнительно низкий номинальный ток, поэтому их срок службы не будет длительным в таком типе приложений. Режим стабилизации зенеровского диода может вызвать тепловой удар в ограниченном пространстве, что может привести к дополнительным отказам светодиода.

Полимерные устройства защиты от электростатического разряда предназначены для высокоскоростных цифровых схем, а не для защиты линий постоянного тока, как в случае светодиодной цепочки. Они имеют более высокое динамическое сопротивление, чем кремниевые приборы, поэтому их фиксированное напряжение смещения слишком велико, чтобы обеспечить защиту чувствительных светодиодов. Кроме того, они не могут обеспечить защиту от перенапряжений и защиту от неправильной полярности.

Устройства защиты при обрыве светодиодов разработаны специально для того, чтобы сохранить оставшуюся часть светодиодной цепочки в рабочем состоянии в случае отказа светодиода и обрыва цепи. Это компактные кремниевые приборы, которые устанавливаются на выводы светодиода. Действуя как шунтирующие устройства, они проводят ток в обход отказавшего светодиода и сохраняют остальную часть светодиодов цепочки в рабочем состоянии. Некоторые устройства защиты при обрыве светодиодов обеспечивают также защиту от электростатического разряда и защиту от неправильной полярности, что снижает стоимость схемы освещения за счет устранения необходимости в дополнительных компонентах защиты.

Работа устройств защиты при обрыве светодиодов

Устройство защиты при обрыве светодиодов представляет собой двухвыводной прибор с внутренним запуском, который устанавливается на выводах светодиода и способен автоматически сбрасываться в исходное состояние в случае самовосстановления или замены светодиода. Это устройство является ключом, который срабатывает по напряжению и обладает малыми токами утечки (порядка единиц мкА) и низким сопротивлением в открытом состоянии, что минимизирует потребляемую мощность (см. рис. 3). На светодиоде во включенном состоянии падает примерно 0,7 В, что недостаточно для включения устройства защиты. При обрыве светодиода в цепи возникает напряжение, достаточное для включения устройства защиты (необходимое напряжение вырабатывается схемой драйвера светодиода). Кроме того, устройство защиты серии PLED6 от компании LittleFuse имеет встроенную схему, которая обеспечивает защиту светодиода от выбросов напряжения, индуцированных разрядом молнии или электростатическим разрядом.

На рисунке 4 приведена вольт-амперная характеристика устройства защиты серии PLED6, на которой показаны ключевые параметры этого устройства — VBR, IS, IH, IT и VT. Напряжение пробоя VBR определяет область вольт-амперной характеристики устройства от напряжения в закрытом состоянии до номинального напряжения пробоя. В выключенном состоянии VBR представляет собой непрерывное пиковое переменное и постоянное напряжение, приложенное к устройству, при котором ток, протекающий через устройство, не превышает 5 мкА (доступны различные номинальные значения VBR от 6 до 33 В DC). IS — это величина тока, при котором устройство переключается из выключенного во включенное состояние, когда приложено минимальное значение напряжения VBR. Обычно максимальная величина IS равна 100 мА. Ток удержания IH — это минимальная величина тока, которая требуется для сохранения устройства во включенном состоянии (типовое значение IH составляет 5 мА). Напряжение в открытом состоянии VT — это максимальное напряжение на устройстве в режиме полной проводимости. IT — это максимальный номинальный ток, который может протекать через прибор в открытом состоянии в течение 2 секунд (максимальное значение 1 А). Обычно, ток светодиодной цепочки намного меньше этой величины, что позволяет устройству защиты при обрыве светодиодов оставаться во включенном состоянии в течение бесконечно длительного времени.

Имеются небольшие отклонения вольт-амперной характеристики разных серий устройств защиты при обрыве светодиодов, как показано на рисунке 5 для серии PLED5 от Littelfuse. Вольт-амперная характеристика в 3-м квадранте показывает возможность защиты от неправильной полярности для данной серии.

Так как серьезной проблемой при работе светодиода является сохранение тепловых условий в допустимых пределах, другим преимуществом таких устройств защиты при обрыве светодиодов служит широкий рабочий температурный диапазон
(–40…150°C). Кроме того, они имеют низкое напряжение в открытом состоянии (около 1,5 В) и низкий ток в выключенном состоянии. Поэтому, когда устройство защиты включается, оно рассеивает весьма небольшое количество тепла.

Устройства защиты при обрыве светодиодов также хорошо работают совместно с различными методами управления яркостью светодиодов. Наилучшим образом яркость управляется с помощью метода ШИМ-модуляции с частотой переключения от 60 до 100 Гц, однако ШИМ может работать на гораздо более высокой частоте. ШИМ-регулировка яркости обеспечивает более эффективное и более точное управление яркостью, чем простое ограничение постоянного тока, что может вызывать нежелательные изменения цвета. К тому же, линейное регулирование мощности снижает энергоэффективность. В любом случае, устройство защиты при обрыве светодиодов не будет вступать в конфликт с обоими методами регулировки яркости. Устройства защиты при обрыве светодиодов допускают частоту переключения светодиодов до 30 кГц, что исключает какие-либо возможные негативные эффекты, например, мерцание.

Идеально, когда в схеме защиты открытого светодиода имеется одно устройство защиты для каждого светодиода. Однако можно использовать и менее дорогую схему защиты. Например, можно установить одно устройство PLED для двух последовательно соединенных светодиодов, когда правильно выбран открытый светодиод. Отказ одного светодиода приведет к тому, что погаснут два светодиода, но такая схема защиты стоит на половину дешевле.

Защита обеспечивает длительный срок службы светодиода

Для светодиодов требуется защита от электростатического электричества, особенно в приложениях, где необходимо обеспечить высокую надежность, таких как критичные с точки зрения безопасности системы освещения, используемые в жестоких условиях эксплуатации. На самом деле, внешние светодиодные светильники могут быть менее надежными, чем обычные системы освещения, если разработчики не обеспечат соответствующую защиту от наиболее сильных импульсных помех.

Первая линия обороны — это качественная схема защиты, которая распространяется от входного источника питания до отдельного светодиода. Устройства защиты при обрыве светодиода могут справляться со значительными переходными бросками напряжения и сохранять светодиодную цепочку в рабочем состоянии, когда светодиод выходит из строя с обрывом цепи. Обеспечивая надлежащую защиту, эти устройства являются только частью общего решения, которое должно включать предохранители, металло-оксидные варисторы и ограничительные диоды для защиты импульсного источника питания и драйвера светодиода.

        

В данном примере светодиодной системы уличного освещения
устройства защиты входят в состав импульсного источника питания

Рис. 3. Защита отдельных светодиодов в цепочке с помощью подходящего шунтирующего устройства не только сохраняет оставшуюся часть цепочки светодиодов в рабочем состоянии, но также обеспечивает защиту драйвера светодиода от чрезмерного роста тока или напряжения из-за отказа светодиодной цепочки

   

Типовая вольт-амперная характеристика устройства
защиты при обрыве светодиодов

Третий квадрант этой вольт-амперной характеристики
иллюстрирует возможность защиты от неправильной полярности

Литература
1. Phillip Havens, Jim Colby, Teddy To. Circuit-protection devices guard against electrical transients//LEDsmagazine, September/October 2010.

Источник:
www.russianelectronics.ru

Информация о компании

Prom-Zip (Пром-Зип, ООО)
«Prom-Zip» — одна из самых надежных компаний на территории РФ, сферой деятельности которой является реализация комплектующих для средств промышленной автоматизации любого уровня. Реализуемые компанией «Prom-Ziр» комплектующие могут быть использованы в автоматизации и системах контроля пищевой и химической отрасли, в производстве механического оборудования, в нефтедобыче, металлургии, в комплексах ЖКХ, в теплоносителях, насосных сооружениях, в системах подготовки воды, в составе систем кондиционирования и вентиляции промышленных или бытовых сооружений, в системах промышленного холода и т.д.

Контакты:

Ф.И.О. Точилина Виктория Витальевна  нет отзывов
Должность: Key account manager
Компания: PROM-Zip
Страна:  Россия
Телефон: +7 (495) 972-90-08
Сообщите, что нашли информацию на сайте «Элек.ру»
Web: http://prom-zip.ru/
Skype: victoriato4i
Зарегистрирована: 8 июля 2014 г.
Последний раз была на сайте 6 минут назад
  Отправить сообщение

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.