Světlo vyzařující diody (LED) jsou zdánlivě neúnavnými pracanty, jejichž polovodičová konstrukce slibuje dlouhou životnost. Díky rostoucí dostupnosti zařízení s vysokou intenzitou se LED diody rychle stávají nejpoužívanějšími řešeními pro plošné osvětlení. Ačkoli osvětlení LED diodami slibuje mnohem delší životnost než starší vláknové a fluorescenční technologie, zákazníci mohou být zklamáni brzkou poruchou zakoupených svítidel. Online i ústní recenze na trhu rychle rozšíří informace o tom, jak si různé značky stojí z hlediska spolehlivosti a výrobci hrozí riziko ztráty reputace i potenciálně nižší prodeje oproti konkurenci, která je vnímána jako dodavatel produktů s vyšším výkonem.
Proč dochází k poruchám LED diod
Navzdory pověsti spolehlivých polovodičových zařízení mohou být LED diody křehké a klíčovým důvodem pro jejich předčasné selhání je poškození samotných diod přechodovým přepětím, které může pocházet z mnoha zdrojů. Jelikož LED diody se běžně používají jako indikátory v prostředích s nízkým napětím, kde se s přepětím setkávají jen výjimečně, konstruktéři často podceňují rizika, která diodám hrozí v náročnějších aplikacích, jako je například venkovní osvětlení.
LED diody navzdory své spolehlivé reputaci trpí známými poruchami, které jsou povahy mechanické i tepelné. Například LED dioda provozovaná po dlouhou dobu na plný výkon generuje velké množství tepla, které v průběhu času poškodí spoje s vodiči připojujícími zařízení k jeho pouzdru. Jak kovové vodiče vlivem tepla oxidují, postupně křehnou, což zvyšuje pravděpodobnost poruchy LED diody – zvlášť v systémech náchylných k vibracím. Další příčiny selhání LED diod jsou, stejně jako u jiných polovodičů, elektrostatické výboje (ESD) nebo přepětí vyvolané blízkými údery blesku.
Další výzvou při používání polovodičového osvětlení je fakt, že celý řetězec diod LED ve svítidle může selhat kvůli problémům jen s jedinou LED diodou v poli. LED diody jsou typicky zapojeny do série a na požadovaný jas, barvu a intenzitu jsou buzeny zdrojem konstantního proudu. Sériové zapojení je upřednostňováno proto, že zajišťuje konzistentnější chování LED diod v řetězci a jednotnější jas. Otevřený obvod u jediné LED diody v řetězci, způsobená například porušením spoje s jedním vodičem, může způsobit selhání celého řetězce. V aplikacích pro osvětlení ulic nebo vzletových a přistávacích drah letišť může při výpadku řetězce dojít k poklesu intenzity nebo úplnému vypnutí světla, čímž následně vzniká bezpečnostní riziko. Reklamní tabule s LED displeji sice nejsou tak kriticky důležité, ale prázdná místa způsobená selháním řetězců vyvolají stížnosti, potenciální ztrátu zisku a také opakované výdaje na častější servisní zásahy. V domácích aplikacích mohou mít značky známé náchylností k předčasným poruchám problémy se prosadit na trhu.
Návrh s integrovanou ochranou před běžnými závadami
Závady však lze s pomocí pečlivě navržených obvodů omezit, ne-li jim zcela předejít. Mnoho systémů má nějakou úroveň ochrany před ESD a přepětím, ale ta se často soustředí na přívody pro napájecí zdroj. Vstup střídavého proudu je přirozeně klíčovou oblastí, na kterou je třeba zaměřit ochranu, ale v každé aplikaci pro LED osvětlení existují tři oblasti, které vyžadují ochranu obvodu. Ochranu potřebuje vstup střídavého proudu, stejnosměrná větev napájecího zdroje i samotné LED diody a konstruktéři by měli vyřešit všechny různé typy ochrany, které jsou potřebné v jednotlivých bodech obvodu.
Ochrana vlastní LED diody
Problému, kdy selhání jedné LED diody způsobí zhasnutí celého řetězce, lze předejít jednoduše: umístěním zařízení pro ochranu před přerušením obvodu v LED diodě paralelně ke každé LED diodě v řetězci. Jedním z typů součástí schopných zajistit ochranu před přerušením obvodu v LED diodě je elektronický bočník. Ten funguje jako přemostění proudu v obvodu, který zůstal přerušený, a umožňuje protékání proudu ke zbývajícím LED diodám v řetězci. Bočník je zařízení se dvěma svorkami, které se automaticky resetuje v případě, že se otevřený obvod v LED diodě sám opraví nebo je dioda vyměněna.
Dobrým návrhem takové bočníkové ochrany je spínač aktivovaný napětím se svodovým proudem v řádu mikroampér. Jakmile se obvod v LED diodě přeruší, v obvodu zůstane dostatek napětí pro aktivaci ochranného prvku. Výhodou tohoto typu ochrany je její integrovaná imunita vůči přepětí – zajišťuje přemostění LED diody v případě přepětí vyvolaného blízkým úderem blesku nebo ESD výboji. Příklady takových elektronických bočníků lze nalézt v řadě PLED, přičemž zařízení z této řady LED diody chrání také před náhodným závěrným napětím.
Zařízení PLED lze relativně snadno specifikovat. Pokud známe parametry jako je napětí a proud v propustném směru a schéma zapojení řetězců LED diod, zbývá pouze určit velikost zařízení PLED a jeho ochranný poměr. Spínací proud zařízení PLED musí být nižší než hodnota proudu dodávaná zdrojem a zapínací napětí musí být nižší než „srovnávací“ napětí, což je maximální výstupní napětí dodávané napájecím zdrojem řetězce LED diod při přerušení obvodu.
Dalším krokem je určení počtu LED diod chráněných jedním zařízením PLED: konstruktér se může rozhodnout riskovat pokles jasu v důsledku ztráty napájení tří LED diod v případě selhání jedné diody ze skupiny. Typicky zařízení PLED6, spouštěné napětím 6 V, chrání jednu LED diodu, zařízení PLED9, spouštěné napětím 9 V, je vhodné pro použití se dvěma LED diodami a zařízení PLED13 lze použít se skupinou tří LED diod.
Jiné součásti, které lze potenciálně použít pro ochranu před přerušením obvodu v LED diodě, mají často své nevýhody. Například řízené křemíkové usměrňovače (SCR) a Zenerovy diody mají vlastnosti, díky kterým mohou být pro tento úkol zdánlivě vhodné. Zenerova dioda zajišťuje účinnou ochranu před výboji ESD, blesky a obrácené polaritě. V aktuální aplikaci však nemá dlouhou životnost: proud v řetězci po aktivaci snadno přetíží diodu a zkrátí její užitečnou životnost. Usměrňovače SCR chrání před přerušením obvodu v LED diodě, ale nechrání před ESD výboji a údery blesku, ani nezajišťují ochranu proti obrácené polaritě. Usměrňovače SCR jsou typicky také větší a objemnější zařízení, jejichž umístění do mnoha svítidel s vysokým jasem, kde mohou být LED diody umístěny v malém prostoru, je náročné.
Ochrana přívodu střídavého napájení
Při výběru ochrany přívodu střídavého napájení je klíčové vzít v úvahu, že tato oblast je nejcitlivější k blízkým úderům blesku. Každé ochranné zařízení musí být dostatečně robustní, aby odolalo přepětí při úderu blesku. Minimální požadovaný proud je 3 kA, ale může být nutné garantovat proud až 6 kA. Reakční čas musí být také dostatečně krátký pro omezení škod po směru toku proudu. Kritéria výběru pojistky přívodu střídavého napájení zahrnují napětí a proud a také hodnotu I2T. Třetí parametr představuje měřítko množství energie, které je pojistka schopná odolat před přepálením. V důsledku toho mají zpožďovací pojistky vyšší jmenovitou hodnotu I2T než rychločinné pojistky. Hodnota I2T se navíc zvyšuje proporcionálně se jmenovitým proudem pojistky.
Další klíčovou součástí střídavých napájecích zdrojů jsou transily (TVS) nebo metaloxidové varistory (MOV), které se používají pro odklonění přepětí od citlivých součástí.
Ochrana přívodu stejnosměrného napájení
Další kriticky důležitou součástí ve stejnosměrné části, umístěnou dále po směru toku proudu, je vysokonapěťová stejnosměrná pojistka, která je navržena pro přerušení obvodu v případě nadproudu. Sekundární transil TVS ve stejnosměrné části zajišťuje doplňkovou ochranu před přepětím, předchází poškození řídicí elektroniky měniče napájení a zároveň omezuje ničivý náboj, který může proniknout až k řetězcům LED diod.
Závěrem lze říci, že LED diody sice mohou oproti tradičním řešením pro osvětlení slibovat mnohem delší životnost, ale pro splnění tohoto slibu vyžadují adekvátní ochranu obvodu. Pokud se zaměříme na tři klíčové faktory elektrického návrhu svítidel, LED diody budou mít delší životnost a ve stále větší míře je bude možné používat v náročnějších prostředích.
