ספקי כוח מיוחדים: "המנוע החשמלי" מאחורי מהפיכת ה-LEDs
9 ינואר, 2013
מאחורי הקלעים של מהפיכת התאורה הירוקה המבוססת על לדים, נמצאות טכנולוגיות של שימוש מתוחכם בספקי כוח ודרייברים אשר מפעילים את מקורות התאורה החדשים והחסכוניים, ונדרשים לעמוד בתנאים מחמירים של הרגולטור
במה מיוחדים ספקי כוח לתאורת LEDs, וכיצד בוחרים את הספק המתאים?
באדיבות Advice Electronics נציגת Meanwell
תאורת לד (Light Emitting Diode) מבוססת על דיודה הפולטת אור ועשויה משני מוליכים למחצה. מוליך אחד טעון בעודף אלקטרונים חופשיים והשני חסר אלקטרונים חופשיים. כאשר אלקטרון ממוליך אחד נלחץ דרך פתח צר לתוך אטום במוליך השני – הוא יוצר פוטון, כלומר חלקיק אור. בניגוד למנורות ליבון או פריקה, בטכנולוגיית לד האנרגיה אלקטרונית מומרת ישירות לאנרגיית אור ולכן פליטת החום היא מזערית ומקור האור חסכוני מאוד באנרגיה ומאופיין באורך חיים גדול יותר מפתרונות תאורה קיימים.
כיום אורך חיים של מוצרי LEDs הוא כ-50,000-100,000 שעות, לעומת 1,000-10,000 שעות של נורות להט. המעבר לתאורת LEDs מהווה היום את אחת מהמהפיכות הגדולות, אשר תורגש בשנים הקרובות, עם הפיכתה לטכנולוגיה בשלה אשר תשמש כמקור התאורה המרכזי. כבר היום מעריכים שהמעבר לתאורת LED חוסך כ-80% מהוצאות החשמל על תאורה, ומפחית את פליטת גאזי החממה (CO2) לאטמוספירה.
ספק הכוח ל-LED
ספקי הכוח המספקים אנרגיה אל האלמנטים של תאורת LED פועלים בשני אופנים שונים: מתח קבוע (Constant Voltage) וזרם קבוע (Constant Current). אופן העבודה הרצוי ביותר לתאורת LED הוא של זרם קבוע, מכיוון שקיים יחס ליניארי מובהק בין עוצמת הזרם העובר בדיודה לבין כמות האור שהיא מפיקה.
הפעלה באמצעות מתח קבוע היא קשה יותר, מכיוון שיעילות התאורה תלויה בוגרמים כמו הממתח הקדומני בתוך צומת החצי-מוליך, חוסר אחידות בייצור ושינויים בטמפרטורת הצומת בעקבות שינויים בממתח הקדומני. התוצאה היא חוסר אחידות בעוצמת ההארה, ירידה בביצועי מקור האור ואורך חיים קצר יותר. לכן כאשר יש צורך לדחוף הספק תאורה גדול (עשרות וואטים ומעלה), מומלץ להשתמש במקור זרם קבוע.
דחיפת ה-LED מספק הכוח
שיטה זו מבוססת על מקור מתח קבוע ובנויה במתכונת של חיבור טורי של מקורות האור. היתרון של שיטת דחיפה זו נעוץ בפשטות החיבור ובעלותו הנמוכה יותר. חיסרונה היא בוויסות לא יעיל בין הערוצים השונים, אשר תלוי בממתח הקדומני Vf של ה-LED. וכמובן, קיימת גם פגיעה בנצילות עקב מפל המתח על הנגדים הטוריים. בחיבור המבוסס על זרם קבוע, מקורות האור מחוברים במקביל, וכתוצאה מכך הזרם בכל ענף הוא קבוע ולכן גם רמת התאורה המופקת מה-LED הינה קבועה ואמינה.
קיימת אפשרות שלישית, המבוססת על שילוב Constant Voltage ו-Constant Current. בשיטה זו מנצלים את היתרונות של שתי השיטות ביחד: שליטת זרם מדויקת בכל ענף; שרידות של שאר הענפים במקרה ואחד מהם תקול; גמישות בתכנון של כל ענף להגברת הנצילות והאמינות ואפשרות לביצוע חלוקה אסימטרית בין הענפים. חסרונה של השיטה המשולבת נעוץ במורכבותה היחסית, הדורשת תכנון מדוקדק.
בקרת ספק הכוח ועוצמת התאורה
בכל אחת משיטות החיברו שהוזכרו ניתן לשלוט על עוצמת האור באמצעות שליטה בעוצמת הזרם או המתח, באמצעות הדרכים הבאות: שינוי התנגדות, שינוי מתח ושינוי תדר PWM, המכתיב את ההספק המיוצר על-ידי ספק הכוח. דרך אחרת לשלוט בספק הכוח היא באמצעות שימוש בפרוטוקול DALI לבקרת ספקי כוח ללדים (Digital Addressable Lighting Interface). השיטה הזו מאפשרת לשלוט על התאורה במתקנים שלמים באמצעות תכנות דיגיטלי המבוסס על מתן כתובת דיגיטלית לכל ערוץ. פרוטוקול DALI מאפשר לבצע בקרה של מגוון מכשירים בנוסף לגופי התאורה, למשל פתיחת וסגירת תריסים במבנה.
פיזור הספק
מכיוון שרק כ-30% מהאנרגיה המגיעה ל-LED מומרת לאור, והשאר מתבזבז בצורת חום, חשוב מאוד להתמודד עם שאלת פיזור ההספק. ראוי לזכור שהתחממות של גוף התאורה משפיעה לרעה על אמינותו ועל איכות האור שהוא מפיק. חברת Meanwell, למשל, מספקת ספקי כוח שניתן להפעלתם בטמפרטורות גבוהות וגם לחברם למשטח פיזור חום. באיור למטה מופיעה דיאגרמה טיפוסית של תכנון בסיסי לחיבור LEDs, באופן המאפשר להתחשב בפרמטרים של כל LED.
תכונות הנדרשות מספקי כוח
השימוש בתאורת LED נעשה בסביבות עבודה ומצוי תחת בקרה רגולטיבית הדוקה. דרישות אילו קובעות תקנים מחמירים מאוד לספקי הכוח, הן מבחינת עמידות בתנאי סביבה קשים (תאורת חוץ), טמפרטורות עבודה קיצוניות ועמידה בתנאי עבודה ללא איוורור פנימי. מסיבה זו מייצרת Meanwell ספקים רבים העומדים בתקן IP-65/67 המגדיר דרישות מחמירות לאטימות בפני אבק ובפני גשם.
דרישות ה-EMC מספקי הכוח דורשות טיפול בתיקון הרמוני PFC החל מהספק של 25W, בניגוד לספקים רגילים הנדרשים לתקן הרמוניות PFC רק בהספקים הגבוהים מ-100W. בנוסף, הם נדרשים לבצע סינון של העיוות ההרמוני ברמת Class C, בהשוואה לספקי כוח רגילים הנדרשים לעמוד בדרישות Class B בלבד. רמת ההגנה בפני פריצה (Surge) מותאמת לתקן EN-61000-3-2: הספקים נדרשים לעמוד בבידוד של יותר מ-3,750Vac בין הכניסה ליציאה, לעומת הדרישות הסטנדרטיות של ספקים לעמידה במתחי פריצה של 3,000Vac בלבד כמו כן, הם נדרשים לעמוד בדרישות SELV של 25v בלבד, לעומת יותר מ-60V בספקים סטנדרטיים.
מכיוון שמדינות רבות דוחפות את השימוש בתאורת LEDs כדי לחסוך האנרגיה, גם רמת הנצילות של הספקים נמצאת תחת דרישות רגולטוריות מחמירות. חברת Meanwell הוציאה לשוק סדרות של ספקי כuח הבנויים בטופולוגיית ZVC חדישנ, המאפשרת להם להגיע לנצילות של יותר מ-90%, ולעמוד בתנאי סביבה קשים באיטום מלא לטבילה (IP67) גם בהספקים של 350W. רובם ניתן עם אחריות של 5 שנות שימוש.
חברת Advice פיתחה בשיתוף עם חברת Meanwell ועם מספר לקוחות מגוון פתרונות לתחומים בהם נדרשו ספקי כוח לסביבות עבודה תובעניות ובנצילות גבוהה.
פורסם בקטגוריות: אנרגיה וסביבה , בקרה וציוד תעשייתי , חדשות , שיווק והפצה
