Светодиодные светильники за последние пять лет превратились из экзотических устройств для сторонников экологического стиля жизни в предметы повседневного обихода. Поэтому не удивительно, что установка таких светильников все чаще осуществляется не инженерами экстра-класса в рамках проектов государственной важности, а в самых обычных офисах рядовыми электриками или вообще людьми, имеющими об электричестве только самые элементарные представления. И каким же бывает разочарование, когда при включении вроде бы «экономичных» светодиодных светильников срабатывает защитный автомат, выбранный, вроде бы, с соблюдением всех правил. Или возникает парадоксальная ситуация, когда при замене люминесцентных светильников на светодиодные срабатывает предохранитель, который ранее без проблем «держал» очень «прожорливые» приборы еще советского производства. Самое время разувериться в экономичности светодиодных светильников. Проблемы возникают потому, что не учитывается важнейший параметр любого светильника — значение пускового тока. Причем такой подход навязывают сами производители светильников, зачастую утверждающие, что у их продукции пусковых токов просто нет.
При включении электрического устройства, как правило, наблюдаются переходные процессы. Кроме этого, для запуска устройства может потребоваться большая мощность, чем в установившемся режиме. Из-за этого наблюдается такое явление как пусковой ток. Значение пускового тока равно максимальному значению входного тока при включении устройства. Пусковой ток выражается либо в абсолютных значениях, либо как кратность максимального значения входного тока к потребляемому току в установившемся режиме. Другим важным значением является длительность пускового тока — время при запуске, в течение которого входной ток устройства превышает потребляемый ток в установившемся режиме.
Наличие пускового тока характерно даже для такого «древнего» и простого источника света как лампа накаливания. Вольфрамовая нить в охлажденном состоянии имеет сопротивление в 10-15 раз меньше, чем в нагретом до температуры, когда она светится. Соответственно, пусковой ток лампы накаливания в 10-15 раз больше потребляемоготокавустановившемся режиме.
Вот, кстати, почему лампы накаливания (и похожи по принципу работы галогенные лампы) выходят из строя чаще всего при включении.
В разрядных источниках света при запуске энергия затрачивается на создание плазмы между электродами, то есть электрического разряда, дающего свечение. К таким источникам света относятся, например, натриевые, металлогалогенные и люминесцентные лампы. Данные по кратности пусковых токов и их продолжительности можно найти в таблице 1.
Таблица 1. Параметры запуска для традиционных источников света
Тип лампы | Кратность пускового тока, не более | Длительность пускового тока, не более, с |
|---|---|---|
Накаливания | 15 | 0,3 |
Галогенная | 15 | 0,3 |
Люминесцентная | 1,5 | 3 |
Металлогалогенная | 1,5 | 600 |
Натриевая | 1,5 | 900 |
Из таблицы видно, что лампы накаливания и галогенные лампы имеют наибольшую кратность пусковых токов. Но переходные процессы в них происходят быстрее. Время пуска разрядных ламп, особенно ДНаТ и МГЛ, гораздо больше, что вынуждает закладывать значительные запасы по току при расчете проводки.
Время-токовые характеристики защитных автоматов
Современные защитные автоматы обеспечивают размыкание цепи при наступлении хотя бы одного из двух событий — длительного превышения потребляемого тока I над номинальным значением Iн и коротком замыкании. В первом случае происходит инерционный процесс размыкания биметаллических контактов при нагреве. Размыкание происходит при действии тока 1,13 Iн более 1 часа или тока 1,45 Iн менее одного часа. Во втором случае мгновенно срабатывает электромагнит, размыкающий контакты. График зависимости времени срабатывания tc от соотношения I/Iн называется время-токовой характеристикой.
Стандартные время-токовые характеристики защитных автоматов
Существующие время-токовые характеристики делятся на три основных группы: В, С и D. Классификация осуществляется по относительному значению тока Iкз, при котором происходит мгновенное срабатывание электромагнитного размыкания, то есть когда автомат обнаруживает короткое замыкание. Для группы В значение Iкз составляет от 3 до 5 Iн, для С — от 5 до 10 Iн и для D — от 10 до 20 Iн. Нижняя граница соответствует времени срабатывания 0,1 с, верхняя — 0,01 с. Применительно к системам освещения используются защитные автоматы с характеристиками В и С, устройства с характеристикой D применяются для защиты мощных электродвигателей, а также на вводе у крупных потребителей электроэнергии.
При проектировании электроустановок обязательным условием является надежная защита от короткого замыкания на концах проводов. Чем меньше сечение проводов, тем больше их сопротивление и, соответственно, меньше отношение Iкз / Iн. В то же время, чем меньше сечение проводов, тем они дешевле. Вот почему при проектировании систем освещения на традиционных источниках раньше, по умолчанию, всегда использовали автоматы с характеристикой В.
Есть ли пусковые токи у светодиодов?
По своему физическому принципу работы светодиод не имеет никаких пусковых токов — он начинает давать свет практически сразу после того, как на него подали электрический ток, без каких-либо переходных процессов. Данное обстоятельство позволяет некоторым производителям светодиодных светильников утверждать о том, что их продукция якобы тоже не имеет пусковых токов. На самом деле, это не всегда так.
Пусковые токи действительно не имеют светодиодные светильники, построенные по так называемой бездрайверной схеме [Л]. Но из-за большого уровня пульсаций светового потока область применения таких светильников ограничена.
Для защиты систем освещения на основе традиционных источников света по умолчанию использовались автоматы с характеристикой В
В светодиодных светильниках, питающихся от сети переменного тока и предназначенных для широкого применения, как правило, устанавливается конденсатор, сглаживающий пульсации. При включении светильника происходит заряд данного конденсатора, вызывающий резкое увеличение потребляемого тока. Именно таким образом понятие пусковых токов становится применимым и к светодиодным светильникам.
Расчеты показывают, что для определенных типов драйверов происходит срабатывание защитного автомата при простой замене люминесцентных светильников на светодиодные, даже если потребляемый ток в установившемся режиме после замены стал меньше. Эту проблему зачастую можно решить заменой автомата с характеристикой В на автомат с характеристикой С.
Это же можно отнести и к светодиодным лампам-ретрофитам, питающимся от сети переменного тока (за исключением самых простых бездрайверных моделей). В том случае, если в светильнике используется драйвер в виде отдельного модуля, кратность пускового тока и время действия пускового тока определяются именно этим узлом. Пусковые характеристики для некоторых драйверов от ведущих производителей приведены в таблице 2.
Таблица 2. Пусковые характеристики некоторых моделей драйверов с входным напряжением 230 В переменного тока
Модель | Номинальный потребляемый ток при полной нагрузке, А | Кратность пускового тока | Рекомендуемый производителем номинальный ток автомата на один драйвер*, А | К | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
Для характеристики В | Для характеристики С | Для характеристики В | Для характеристики С | |||
Mean Well LPC-35-1050 | 0,7 | 79 | 4 | 2,3 | 5,7 | 3,3 |
Mean Well ELN-30-12 | 0,48 | 115 | 4 | 2 | 8,3 | 4,2 |
Osram Optotronic Fit 50/220 | 0,3 | 177 | 0,57 | нет данных | 1,9 | нет данных |
Osram Optotronic Element LD 30/220 | 0,15 | 107 | 0,4 | нет данных | 2,7 | нет данных |
Philips Xitanium Constant Current Xtreme | 0,21 | 310 | 0,76 | нет данных | 3,6 | нет данных |
* Равен отношению рекомендуемого номинального тока защитного автомата для группы параллельно соединенных драйверов (светильников) к рекомендуемому количеству драйверов (светильников) в группе.
Из таблицы видно, что кратность пусковых токов у светодиодных светильников с драйверами превосходит традиционные светильники на один-два порядка!
Кратность пусковых токов драйверов светодиодных светильников составляет несколько сотен из-за наличия сглаживающих конденсаторов
К тому же, длительность пускового тока для светодиодных драйверов принято определять на уровне 50% от максимального значения. Это значение, как правило, лежит в пределах 100-500 мкс. Тем не менее, столь короткий импульс способен вызвать срабатывания электромагнитного размыкателя, но рассчитать его действие не так просто, как для пусковых токов традиционных источников света.
Автор предлагает ввести для оценки драйвера следующий коэффициент:
К = Iнд / Iп,
где Iнд — номинальный ток защитного автомата в пересчете на один драйвер, Iп — потребляемый ток драйвера в установившемся режиме при полной нагрузке.
Чем меньше К, тем меньше вероятность возникновения ситуации с ложным срабатыванием защитного автомата. Коэффициент К всегда больше I, он зависит от характеристики автомата. Для защитных автоматов с характеристикой В коэффициент К выше или равен коэффициенту для характеристики С.
А теперь выясним откуда возникает ситуация с «выбиванием пробок» при замене, например, люминесцентных светильников на более экономичные светодиодные. Предположим, что мы решаем задачу замены старых люминесцентных светильников типа ЛПО 4x18 на современные. У нас есть люминесцентный светильник с потребляемым током в установившемся режиме Iл. Проектировщики учли кратность пускового тока 1,5, тот факт, что длительность пускового тока в реальных условиях может достигать десятки секунд (например, лампа разгорается не с первого раза) и взяли дополнительно коэффициент запаса 1,25. Тогда номинальный ток защитного автомата составит
Iнл = 1,5 • 1,25 Iл= 1,875 Iл
При замене люминесцентных светильников на светодиодные с тем же световым потоком энергопотребление уменьшается примерно в 2 раза. Значит, потребляемый ток нового светильника Iс = 0,5 Iл, а номинальный ток защитного автомата Iнс = 0,5 К Iл.
Используем светильник с драйвером средней ценовой категории Mean Well LPC-35-1050. Для него при характеристике В имеем К = 5,7.
Iнс = 0,5 • 5,7 Iл = 2,85 Iл > Iнл
Это означает срабатывание защитного автомата.
Для автомата с характеристикой С имеем К = 3,3, тогда
Iнс = 0,5 • 3,3 Iл = 1,65 Iл < Iнл.
Ложного срабатывания защитного автомата при пуске не произойдет.
То есть проблему с «выбиванием пробок» можно решить, заменив автомат с характеристикой В на автомат с характеристикой С и тем же номинальным током. Но при этом следует убедиться, что после замены автомата будут соблюдаться нормы по току короткого замыкания для имеющихся проводов. Конкретная методика расчета выходит за рамки данной статьи, ее можно найти в справочных пособиях для электриков.
Ведущие производители светильников обычно предоставляют информацию о рекомендуемых типах защитных автоматах и максимальном количестве устройств, подключаемых к одному автомату. При отсутствии такой информации следует узнать модель драйвера, используемого в светильнике, и найти рекомендации на сайте производителя драйвера.
При невозможности замены автомата с характеристикой В на автомат с характеристикой С и частично переложить провода, чтобы выполнить рекомендации производителя драйвера (светильника) по максимальному числу устройств, подключенных к одному автомату.
Выбор защитного автомата
В идеале производитель сам должен указать в документации на светильник рекомендуемый тип защитного автомата и максимальное количество светильников, которые можно подключить к нему параллельно. В реальности так бывает не всегда, мало того, как уже отмечалось, производители зачастую скрывают сам факт наличия каких-либо пусковых токов у светильника. Можно запросить у производителя модель драйвера и узнать данные на сайте производителя данного узла. Производители драйверов все чаще публикуют эту информацию на своих сайтах.
Производитель может предложить на выбор использовать совместно с его драйвером автоматы с характеристиками как В, так и С. Если проект требует подключения максимального количества светильников к одному защитному автомату (например, есть сложности с прокладкой проводов или нет места для установки лишних автоматов), то предпочтение следует отдать характеристике С. Но тогда, как уже отмечалось, придется обеспечить дополнительный запас по толщине проводов.
Наличие рекомендаций производителя светильника или драйвера по защитным автоматам является важным преимуществом
Если для светодиодного светильника не даны рекомендации по выбору и нет возможности получить информацию о модели драйвера, приходится фактически «играть в рулетку» с непредсказуемым результатом. Но существуют всевозможные эмпирические правила, например, не подключать к одному автомату более 8 светодиодных светильников, использовать автоматы с характеристикой С вместо характеристики В и т.п. Данные меры позволяют обеспечить надежную работу системы освещения ценой введения избыточных технологических запасов. Вот почему доступность рекомендаций производителя драйвера или светильника по использованию защитных автоматов является дополнительным конкурентным преимуществом.
Борьба с высокими пусковыми токами
Постоянно обсуждаемая в специализированных интернет-форумах тема срабатывания защитных автоматов при замене светильников с традиционными источниками света на светодиодные уже привлекла внимание производители электроники. За рубежом на рынке появились всевозможные устройства, способные, по утверждению их производителей, ограничить пусковые токи. Обычно принцип работы таких устройств сводится к тому, что на время пуска последовательно со светильником включается резистор, который уменьшает пусковой ток. В результате сглаживающий конденсатор в драйвере заряжается медленнее и время пуска увеличивается, но это практически незаметно для пользователей. Недостатком является то, что такие ограничители тока совместимы далеко не со всеми драйверами.
Другой способ, который, по мнению автора статьи, является более перспективным — использование драйверов с небольшой задержкой пуска, время которой в партии различается от экземпляра к экземпляру. Время задержки для каждого драйвера при их производстве устанавливается случайным образом, либо по определенной закономерности. В результате одновременный пуск двух и более драйверов маловероятен или вообще исключается. Добавление такой функции незначительно увеличивает стоимость драйвера, но за счет экономии на монтажных работах прибавка в цене многократно окупается.
Литература
Васильев А. Бездрайверные системы: когда простота не обманчива // Электротехнический рынок, №1 (73), 2017 г., стр. 16-20.
Алексей ВАСИЛЬЕВ
