Proč nelze elektronické transformátory pro halogenové žárovky použít k napájení LED zařízení?
Proč nelze elektronické transformátory pro halogenové žárovky použít k napájení LED zařízení?
Při výběru zařízení pro LED podsvícení nebo LED osvětlení nevyhnutelně vyvstává úkol vybrat napájecí zdroj pro systém. Specialisté na LED zařízení vždy doporučují používat specializované napájecí zdroje. Osoba, která se s tímto zařízením setkává poprvé, má zpravidla zcela přirozenou otázku – proč nelze použít elektronický transformátor pro halogenové žárovky? Při stejném výkonu má menší rozměry, nižší cenu a jeho výstupní napětí je také 12 voltů. Ti, kteří jen chtějí získat odpověď na tuto otázku, aniž by zacházeli do podrobností, mohou rovnou přejít k závěrům na konci článku.
Pro ty, kteří chtějí porozumět problematice podrobněji, trocha teorie.
Pro začátek bych rád poznamenal, že téměř všechny moderní napájecí zdroje jsou pulzní měniče. Jejich zásadní rozdíl od dříve používaných analogových (neboli lineárních) napájecích zdrojů spočívá v tom, že konverze napětí v nich není prováděna při síťové frekvenci (50 Hz), ale při mnohem vyšší frekvenci (obvykle v rozsahu 30000 50000-95 XNUMX Hz) . Díky přechodu na takové frekvence bylo možné výrazně snížit velikost a hmotnost napájecích zdrojů a také výrazně zvýšit jejich účinnost, která u moderních modelů dosahuje XNUMX%.
Abychom pochopili rozdíl mezi plnohodnotným napájecím zdrojem a elektronickým transformátorem, podívejme se na jejich vnitřní strukturu.
Uvažujme blokové schéma běžného elektronického transformátoru pro napájení halogenových žárovek (obr. 1).
Obr. 1 Blokové schéma elektronického transformátoru určeného k napájení halogenových žárovek.
Do vstupního usměrňovače, kterým bývá diodový můstek, je přiváděn střídavý proud o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V (obr. 2a). Na výstupu usměrňovače (obr. 2b) přijímáme napěťové impulsy stejné polarity a dvojnásobné frekvence – 100 Hz.
Obr.2 Průběhy napětí na vstupu (a) a výstupu (b) usměrňovače.
Dále je toto napětí přiváděno do kaskády složené z klíčových tranzistorů, které jsou uvedeny do generačního režimu pomocí kladné zpětné vazby. Na výstupu této kaskády se tedy tvoří vysokofrekvenční impulsy s generační frekvencí a amplitudou síťového napětí. Pro náš případ je velmi důležité věnovat pozornost skutečnosti, že generování v takovém obvodu nenastává vždy, ale pouze za podmínky, že zatížení elektronického transformátoru je v určitých mezích, například od 30 do 300 Wattů. Jelikož je klíčový stupeň navíc napájen impulsy z výstupu usměrňovače, je vysokofrekvenční kmitání generátoru modulováno impulsy o frekvenci 100 Hz.
Takto vzniklé napětí složitého tvaru je přiváděno do snižovacího transformátoru, na jehož výstupu máme napětí stejného tvaru, ale o velikosti vhodné pro napájení halogenových žárovek. Zde stojí za zmínku, že u žhavícího vlákna, které je zdrojem světla v halogenových žárovkách, nezáleží na tvaru napájecího napětí. U žárovek je důležité pouze efektivní napětí – tzn. hodnota napětí zprůměrovaná za určité časové období. Když charakteristiky elektronického transformátoru udávají výstupní napětí 12 voltů, pak mluvíme o efektivním napětí. Obrázek 3 ukazuje skutečné oscilogramy pořízené na výstupu elektronického transformátoru.
Obr. 3 Oscilogramy na výstupu elektronického transformátoru určeného k napájení halogenových žárovek.
Z oscilogramu na obr. 3a je zřejmé, že pulsy na výstupu elektronického transformátoru následují s frekvencí 55000 Hz, mají velmi strmé hrany a hodnotu amplitudy 17 voltů. Z oscilogramu na obr. 3b můžete vidět, že téměř 20 % času je napětí na výstupu elektronického transformátoru obecně nulové (vodorovné úseky mezi napěťovými rázy). Co se stane, když se takové napětí přivede například na LED lampu? Každá LED lampa má vždy vestavěný vlastní ovladač, který zajišťuje optimální provoz LED. Tento ovladač se bude snažit vyhladit napěťové rázy, ale v tomto případě nelze zaručit dlouhodobý spolehlivý provoz. Pokud jde o LED pásek, ten obecně vyžaduje k napájení konstantní napětí.
Nyní se podíváme na blokové schéma stabilizovaného zdroje používaného ve spojení s LED zařízením (obr. 4).
Obr. 4 Blokové schéma stejnosměrného zdroje se stabilizovaným výstupním napětím, určeného k napájení LED zařízení.
Prvním blokem je již známý vstupní usměrňovač, který se nijak neliší od usměrňovače, o kterém jsme hovořili výše. Z jeho výstupu je napětí (viz obr. 2b) přiváděno do vyhlazovacího filtru, načež má podobu znázorněnou plnou čarou na obr. 5.
Obr.5 Průběh napětí na výstupu vyhlazovacího filtru.
Jak je vidět z obrázku, na výstupu filtru není téměř žádné zvlnění a tvar napětí se blíží přímce.
Toto napětí je přiváděno do výkonových tranzistorových spínačů, na jejichž výstup je stejně jako u elektronického transformátoru připojen snižovací transformátor. Rozdíl je v tom, že činnost kláves je řízena specializovaným mikroobvodem, který zahrnuje hlavní oscilátor, regulátor PWM a různé řídicí obvody.
Mechanismus použití PWM (pulse width modulation) v napájecím zdroji spočívá v tom, že změnou šířky spínacích pulzů přiváděných do výkonových spínačů můžete měnit napětí na výstupu napájecího zdroje. Díky tomu je možné přivedením řídicího signálu z výstupu napájecího zdroje na vstup PWM regulátoru stabilizovat výstupní napětí.
Stabilizace výstupního napětí se provádí následovně. Když se výstupní napětí pod vlivem vnějších faktorů zvýší, z výstupu napájecího zdroje se do regulátoru PWM přenese chybový signál, šířka impulsu se sníží a výstupní napětí se sníží a vrátí se k normálu. Při poklesu výstupního napětí se obdobným způsobem zvětšuje i šířka spínacích impulsů. Díky této operaci je výstupní napětí vždy udržováno ve stanoveném rozsahu.
Protože pracovní režim hlavního oscilátoru v tomto obvodu nezávisí na vnějších vlivech a také díky stabilizačním obvodům zůstává výstupní napětí konstantní v celém rozsahu přípustného výkonu zátěže, například od 0 do 100 W.
Přítomnost zpětné vazby navíc umožnila chránit napájecí zdroj před selháním. Při překročení příkonu, při zvýšení výstupního napětí nad kritickou hodnotu nebo při zkratu v zátěži se zdroj automaticky vypne. Po odstranění příčiny, která spustila ochranu, se zdroj opět rozběhne.
Za snižovacím transformátorem jsou vysokofrekvenční vícepólové impulsy přiváděny do usměrňovače, kde jsou převedeny na impulsy stejné polarity. Výstupní filtr impulsy po usměrnění vyhlazuje a převádí je na stejnosměrné napětí s malým zvlněním.
Díky uvažovaným stabilizačním a filtračním opatřením nestabilita stejnosměrného napětí na výstupu zdroje obvykle nepřesahuje 3 % jmenovité hodnoty a napětí zvlnění není větší než 0,1 voltu.
Dalším důležitým pozitivním efektem výstupního filtru je výrazné snížení úrovně elektromagnetického rušení vyzařovaného zdrojem a zejména rušení vyzařovaného vodiči připojenými k jeho výstupu.
Elektronické transformátory určené k napájení halogenových žárovek nelze použít k napájení LED zařízení, protože:
1. Hodnota 12 voltů uvedená v pasu elektronického transformátoru je efektivní (průměrné) napětí. Ve skutečnosti může výstupní napětí obsahovat krátké impulsy s amplitudou až 40 voltů.
2. Napětí na výstupu elektronického transformátoru je vysokofrekvenční a neupravené. Obsahuje impulsy různých polarit, pozitivní i negativní.
3. Výstupní efektivní napětí elektronických transformátorů je nestabilní, závisí na vstupním napětí napájecí sítě, na výkonu připojené zátěže, na okolní teplotě a může se pohybovat v rozmezí 11-16 voltů.
4. Elektronický transformátor není schopen provozu při nízkém zatížení. Jeho charakteristiky obvykle udávají spodní a horní hranici přípustného zatěžovacího výkonu, například 30-300 wattů.
První tři body nevyhnutelně povedou k předčasnému selhání LED zařízení. V některých případech může zařízení selhat při prvním zapnutí. Na takovou poruchu se nevztahuje záruka.
Při výměně halogenových žárovek za LED žárovky ve stávajících systémech je kromě prvních tří bodů nutné vzít v úvahu i čtvrtý. Spotřeba energie LED žárovek je 10krát nižší než u halogenových žárovek. Pokud je zatížení nedostatečné, elektronický transformátor se nemusí vůbec zapnout nebo se bude periodicky zapínat a vypínat. Při výměně žárovek tímto způsobem se v každém případě doporučuje vyměnit zdroj.