Obecný princip stmívače:
Pro změnu svítivosti světelného zdroje musíme dosáhnout změny efektivní hodnoty procházejícího proudu. Ve starších stmívačích se používá pro fázové řízení pouze triak. V novějších stmívačích se používají IGBT tranzistory – bipolární tranzistory s izolovaným hradlem nebo MOSFET tranzistory řízené mikroprocesorem. Tyto tranzistory se vyznačují rychlostí otevírání a zavírání. Tato metoda je založena na deformaci sinusového napětí a tím zmenšení výkonu. Můžeme se setkat také s kombinací triak - tranzistor. Tranzistor se používá kvůli rychlosti a pak přebere funkci triak kvůli výkonu. V principu můžeme deformovat sinusový signál dvěma způsoby - RL mód nebo RC mód. Největší vliv na oteplení uvnitř stmívače mají právě tyto spínací prvky.
RC mód (Trailing edge) RL mód (Leading edge)
Testovací vzorek:
Vybral jsem test dánského stmívače. Pro Dánský trrh jsou typické malé rozměry elektroinstalačních zařízení. Stmívač má rozměry pouze 4x4x2,5 cm. I přes malé rozměry tento stmívač zvládne zátěž 260W. Oteplení uvnitř stmívače je důležitým faktorem pro bezpečnost celé elektroinstalace.
Instalace teplotních sond do zařízení:
Tato část bývá nejkomplikovanější. Zvlášť u stmívačů malých rozměrů. Je třeba připevnit teplotní sondy přímo na drain tranzistorů. Tato část transzistoru je místem, kde dochází k přenosu tepla přímo na desku plošnoho spoje. Teplotní změna bývá většinou stejná na obou tranzistorech. Někdy je potřeba udělat zásah do vnějšího pláště zařízení, jak je vidět na obrázku. Tato deformace se musí zalepit, aby nedocházelo k ovlinění testu. Jedná se o téměř hodinářskou prácí, jelikož prostoru není mnoho a je uměním se pájecím hrotem vyhnout všem ostatním součástkám.
Zapuštěné elektronické stmívače se montují do zapuštěných krabic. Krabice se umístí do špalíku z borového dřeva a v něm se zasádruje tak, aby přední hrana krabice nepřečnívala a nebyla více než 5 mm pod čelním povrchem špalíku. Velikost špalíku musí být taková, aby sádru obklopovalo minimálně 25 mm dřeva a tloušťka sádry byla v rozmezí od 10 mm do 15 mm kolem maximálních rozměr stran a zadní části krabice. Kabely připojené k elektronickému stmívači musí být přivedeny horní částí krabice, přičemž místo vstupu je utěsněno, aby se zabránilo cirkulaci vzduchu. Délka každého vodiče uvnitř krabice musí být 80 mm s tolerancí 10mm.
Samotný test:
Elektronické stmívače jsou zatěžovány do doby, než je dosaženo ustálené teploty při napětí v rozmezí od 0,9 do 1,1 násobku jmenovitého napětí, podle toho, která hodnota je méně příznivá. U stmívačů svítidel a regulátorů otáček je nastavení stmívače tak, aby bylo dosaženo nejvyššího oteplení. Tyto věty citované z normy, přeložíme do řeči čísel.
Měření bude probíhat při napětí 230V x 1,1 = 253V. Nejhorší situace (nejvyšší tepelné ztráty) dochází u stmívače při úhlu "nadýmení" okolo 5ms. Pro jistotu se měří při úhlu 4,5ms, 5ms a 5,5ms. Testuje se v obou režimech RC i RL. Zátěž připojená ke stmívači bude mít hodnotu 260W a bude ji tvořit tři kusy klasických žárovek o výkonech 2x100W a 1x60W. Klasické žárovky jsou pro testování těžko nahraditelným pomocníkem. Testované zařízení (EUT) se vloží do vyplé teplotní komory, aby nedocházelo k nechtěnému proudění okolo stmívače umístěného v umělé stěně. Snímání naměřených hodnot z teplotních senzorů je v intervalu 5 sekund. Po necelých 4 hodinách dochází k ustálení teplotního stavu a dochází k vyhodnocení vysledků.
Teplotní nárůst - úhel 5ms - RC mode Teplotní nárůst - úhel 5ms - RL mode
Vyhodnocení testu:
RC mode - Maximální dosažená teplota je při úhlu 4,5ms je 92,18°C, pro 5ms je 97,59°C a pro 5,5ms je 98,58°C na drainu tranzistoru. Stabilizovaná teplota je okolo 91,7°C pro úhel 4,5ms, 97,0°C pro 5ms a 100,5°C pro 5,5ms.
RL mode - Maximální dosažená teplota je při úhlu 4,5ms je 100,5°C, pro 5ms je 102,87°C a pro 5,5ms je 101,37°C na drainu tranzistoru .Stabilizovaná teplota je okolo 100,0°C pro úhel 4,5ms, 102,1°C pro 5ms a 100,0°C pro 5,5ms.
Tabulka ustálených teplot
Nejhorší případ teplotního nárustu je v RL módu při úhlu 5,5ms. Referenční teplota je teplota okolí 23,2°C. Teplotní nárůst pro tento případ je vypočten na:
102,1°C – 23,2°C = 78,9K
Norma EN 60669-2-1 kapitola 17 stanovuje maximální dovolené napětí pro desku plošných spojů z materiálu FR4 155°C (25°C okolní teplota + dovolený teplotní nárůst pro materiál FR4 130K je 155°C). Pro stmívač, který má ve specifikaci uvedené, že pracuje až do teploty 35°C je teplotní nárůst 120°C.(155°C – 35°C okolní teplota je 120K) Pracovní teplota použitého tranzistoru je v rozmezí udávaném v datasheetu -65°C to 150°C.
Teplotní nárůst stmívače je nižší než maximální povolený teplotní nárůst daný normou:
78,9K < 130K
Maximální teplota na tranzistoru vyhovuje technickým parametrům tranzistoru:
102,87°C < 150°C
Test přetížení:
Testovací setup je stejný jako při předešlém testu. Vybere se nejhorší možný případ čili RL mód, úhel 5,5ms. Postupně se přidává zátěž až dojde k aktivování vratné teplotní pojistky. Graf znázorňuje teplotu na tranzistorech při přetížení.
První perioda grafu - zátěž klasická žárovka 260W čas 7:13 až 11:10
Druhá perioda grafu - přidána žárovka 25W (285W) čas 11:10 až 14:10
Třetí perioda grafu - přidána žárovka 15W (300W) čas 14:10 až 15:10
Čtvrtá perioda grafu - přidána žárovka 7W (307W) čas 15:10 až 15:54
Pátá perioda grafu - přidána žárovka 33W (340W) čas 15:54 až 16:21
Stmívač vypnul po 27 minutách, kdy byla aktivována teplotní pojistka. Stmívač po schládnutí a připojením opět k napájecímu napětí pracoval bez problémů. Nejvyšší naměřená teplota na drainu tranzistoru byla 109,5°C.Což odpovídá použité vratné tepelné pojistce. V tomto případě zabrala první vratná pojiska, než pojistka nevratná. Což je správně. Někdy se stává, že jako první se aktivuje nevratná pojistka, což je nepřípustné.
Závěr:
Zdánlivě jednoduchý test, který je důležitý pro bezpečnost elektroinstalace u zákazníka. Vysoké teplotní oteplení dokáže napáchat velké škody. V našem příkladu oba dva testy prošly bez problémů. Pokud test nevychází ve fázy vývoje, není to až tak velký problém. Stále je čas na změnu, ikdyž ne moc snadno se příčina hledá. Daleko větší problém nastává pokud test nevychází při tzv. namátkové kontorle. To pak hrozí zastavení produkce někdy i tisíce kusů ročně a více. To si tester musí být stoprocentně jist svou prací. Třeba taková náhrada tranzistoru za ekvivalent podle datasheetu, který zrovna nebyl plnohodnotným ekvivalentem v praxi, dokáže napáchat problémy i s EMC.
