מאת: שלמה אוסטרובסקי, אדוויס אלקטרוניקה
מהי תאורת לד?
נורת לד היא דיודה פולטת אור העשויה משני מוליכים למחצה. מוליך אחד טעון בעודף אלקטרונים חופשיים והשני בחסר אלקטרונים חופשיים. כאשר אלקטרון ממוליך אחד נלחץ דרך פתח צר לתוך אטום – הוא יוצר פוטון, או חלקיק אור (איור 1).
בטכנולוגיית הלד, שלא כמו תאורת ליבון או פריקה, הופכת אנרגיה אלקטרונית ישירות לאנרגיית אור. התהליך מלווה בפליטת חום מזערית ולכן מהווה מקור אור חסכוני מאד ואורך חיים ארוך ביחס לפתרונות תאורה קיימים.
לאור ההתקדמות האחרונה במחקר וביישום של נורות לד, תאורת ה-LED בשנים הקרובות צפויה להיות אחת המהפכות הטכנולוגיות הגדולות אשר ישפיעו על כל אחד מאיתנו בכל תחומי החיים כשתאורת ה-LED תגיע לבשלות טכנולוגית ותשמש כמקור האור האולטימטיבי בכל האפליקציות.
השימוש בתאורת LED גורם כבר היום לחיסכון בחשמל באופן משמעותי בלמעלה מ-80%, כאשר צריכת החשמל תרד לחמישית לעומת הנורות החסכוניות ביותר הקיימות כיום ותוצר הלוואי העיקרי יהיה הורדה משמעותית ועצומה של צריכת החשמל, ועוד תופעות חיוביות אשר יקטינו בעקבותיו את קליטת גזי הפליטה CO2
איור 1 התהליך הפיזיקלי
גרף 1 התאורה כפונקציה זרם ה-LED
איור 2 חיבור ספק כח לתאורת ה-LED
חיבור ספק הכח ל-LED
ספקי הכח של תאורת ה-LED מתחלקים לשני אופני עבודה אופן של Constant Voltage C.V ושל Constant Current C.C כאשר אופן העבודה הרצוי לתאורת LED והאופן היעיל ביותר לעבודה בתחום ה-LED הינו של Constant Current כפי שניתן לראות זאת (בגרף 1), אשר מתאר את העלייה הליניארית של עוצמת התאורה כפונקציה של עליית זרם (לעומת אי ליניאריות מובהקת של עליית הממתח הקדומני של ה-LED Vforward ביחס לעוצמת התאורה)
אורך חיי ה-LED ואמינותו
היות וה-LED בנוי מסיליקון SOLID STATE אזי אמינות המוצר הינה לאין ערוך גבוהה יותר ללא רגישות לתנאי סביבה וטלטולים מכל נורה אחרת. אורך חיים של מוצרי ה-LED הינו בין 50,000-100,000 שעות לעומת 1000-10,000 שעות של נורות רגילות וכמובן שאין כמעט ירידה בביצועים של התאורה לאורך חיי המוצר.
שיטות דחיפת ה-LED
כפי שהובן לעיל ה-LED נצרך לדחיפת זרם היות וגרף ה-V-I של ה-LED ושינוים בממתח הקדומני Vf של ה-LED ושינוים במבנה ה-LED בתהליכי היצור, ושינויי טמפרטורה כפונקצית של הממתח הקדומני Vf. אזי מקור האנרגיה צריך להיות מוגבל ומבוקר הן באופן עבודה של מקור מתח C.V והן באופן עבודה של מקור זרם C.C החסרונות בשימוש ב-C.V הינם עוצמת הארה שונה, ירידה בביצועי התאורה, אמינות, ואורך חיי ה-LED. מהסיבות הנ”ל באפליקציה שיש צורך לדחוף הספק תאורה גדול של עשרות וואטים ומעלה רצוי להשתמש במקור זרם C.C אשר שומר על זרם קבוע ועוצמת תאורה שלא מושפעת מהמתח הקדומני Vf (איור 2).
דחיפת ה-LED ישירות מספק הכח
היתרון של שיטת דחיפה זו הינו פשטות החיבור ועלותו, החיסרון בשיטה זו הינו רגולציה לא טובה בין הערוצים אשר תלוי בממתח הקדומני Vf של ה-LED וכמובן נצילות נפגעת היות ונוצר מפל מתח על הנגדים הטוריים. לדוגמא חישוב נגד הטורי עבור ספק של 150W, דגם: CLG- של חברת MEANWELLעבור חישוב דחיפה של 8 LED’S מחוברים בטור בשמונה 8 שורות (איור 3).
איור 3 חיבור מקור עם נגדים להגבלת זרם
איור 4 חיבור ספק כח באופן C.C
איור 5 חיבור ספק כח בשילוב C.C-C.V
V:LED power supply rated output voltage
VF:LED forward voltage (around 3.5V)
If:LED forward current (about 625mA)
אופן זרם קבועConstant Current C.C
בשיטה זו הזרם קבוע בכל ענף וכתוצאה מכך תאורת ה-LED הינה בעוצמה קבועה הניצלות גבוהה והאמינות של הפתרון עולה (איור 4).
איור 6 שיטות שליטה ובקרה על ספקי כח
שיטת חיבור משולבת Constant Voltage ו-Constant Current
בשיטה זו מנצלים את היתרונות בצורה משולבת בין שני השיטות C.C ו-C.Vויתרונות הם:
שליטת זרם מדויקת בכל ענף.
במידה וענף אחד תקול אזי נפגע רק הענף ושאר הענפים אינם מושפעים.
גמישות בתכנון של כל ענף אשר מגביר את הנצילות והאמינות.
ניתן לבצע חלוקה אסימטרית בין הענפים.
חסרון שיטה זו הינו המורכבות היחסית של הפתרון דבר הדורש תכנון (איור 5).
איור 7 שליטה על הספק DALI
איור 8 שליטה על הספק DALI
איור 9 אפליקציה לתכנון ספק כח
בקרה ושליטה על הספק כח\עוצמת וצבע התאורה.
בכל שיטה חיבור מהשיטות המתוארות לעיל ניתן לבצע שליטה ובקרה על העוצמה של המתח ואו הזרם של הספק באמצעות מספר שיטות (איור 6):
1. שליטה ובקרה באמצעות שינוי התנגדות.
2. שליטה ובקרה באמצעות שינוי מתח (בין 0-10 וולט)
3. שליטה ובקרה באמצעות שינוי תדר PWM. שינוי הספק כח באמצעות PWM ולווסת את העוצמה של מתח. זרם המוצא בתלות ב-DUTY CYCLE של ה-PWM
4.שליטה ובקרה באמצעות פרוטוקול DALI – Digital Addressable Lighting Interface בשיטת בקרה זו ניתן לשלוט באמצעות חוטים בתכנות דיגיטאלי לכתובת של ערוץ ועל בקרה של בניין שלם עם הרבה מוצרים הניתנים לבקרה וביחד ניתנים לשליטה מלאה על העוצמה, כיבוי והדלקה, פתיחת תריסים לפי מצב השמש וכד’, כמובן ניתן לשלוט בקבוצות או ביחידים (איור 7, איור 8).
פיזור ההספק
היות וב-LED רק 30% מהאנרגיה המושקעת נהפכת לאור ושאר האנרגיה מתפזרת ברכיב עצמו ונהפך לחום יש חשיבות מרובה בתכנון כיצד להתמודד עם פיזור ההספק תוך שלוקחים בחשבון שעליית הטמפרטורה כתוצאה מהפסדים משפיעה על האמינות ועל איכות התאורה עצמה, ולכן פקטור משמעותי הינו עליית טמפרטורת והשפעתו על אורך חיי המוצר. אי לכך ספקי הכח לתחום ה-LED של חברת MEANWELL ניתן לחברם למשטח פיזור חום ובמקביל ליכולת עבודת בטמפרטורה גבוהה תוך שמירה על LIFE TIME גבוה בכל טווח העבודה.
דוגמא לחישוב ותכנון LED Driver: נניח שיש צורך לחבר מערכת LED של 20~36V/30~240W. כאשר נתוני ה-LED הינם כדלקמן:
Vf=3.1~3.3V
If=1Amper
בא ונראה כיצד ניתן לתכנן את המעגל
1. תכנון מספר ה-LED אשר יחוברו בטור 6×3.1V=18.6V,10×3.1V=31V לכן כל שורה תכיל בין 6 ל-10 LED אשר יחוברו בטור.
2. יש להחליט מהו הזרם בכל ענף.האופטימיזציה של זרם ה-LED הוא 2/3~3/4 מהזרם המכסימלי לכן אם If=1A*2/3=0.66A If-1Amper זה אומר, מבחינת התכנון, שפיזור ההספק של כל LED הוא 2W, כאשר ניקח את הסכום הכולל של ה-72LED יחידות פיזור ההספק הכולל הינו 144W בנוסף הנגד הטורי אשר מגביל את הזרם ל-1A גורם לכל לד לפיזור של עוד 1W סך הכול כ-3W לכל LED יגרום לפיזור כללי של 3Wx72=216W
3. אי לכך נוכל לתכנן בטור וב-8 שורות
9×3.1V=27.9V, 0.66Ax8=5.28A
Ptotal=27.9Vx5.28A=147.31W
בהתאם לתוצאות הנ”ל ניתן לבחור בספק של MEANWELL מסדרת CLG-150-30 או לחילופין סידרה יותר נצילה HLG-150-30 עם זרם Rated של 5A ובצורת התכנון הנ”ל אנחנו נעבוד עם היחידות במשטר של זרם קבוע C.C Mode. ברגע שנחבר את ספק הכח לפי התכנון אזי המתח יקבע ל-27.9V כמינימום וזרם המוצא יהיה בטווח של 105% מהזרם המקסימלי אשר ניתן לכיול באמצעות וסתי המתח אשר הינם חלק אינטגראלי מהספק.
התכנון המתואר להלן הינו תכנון בסיסי לספק כל LED בהתאם להגדרות של כל LED תוך התחשבות בפרמטרים שלו להלן דיאגראמת החיבור (איור 9):
ספקי כח אטומים IP 67 בנצילות גבוהה סידרת MEANWELL fe HLG
תכונות הנדרשות מספקי כח לתחום התאורה
היות והשימוש הנרחב של תחומי תאורת ה-LED השונים הנמצאים בסביבות עבודה מגוונות אזי הדרישות הרגולטיביות הינם נרחבות ומחמירות מאוד. על מנת למצוא את המכנה המשותף הרחב הן בצד דרישות ה-EMC, דרישות הבידוד, דרישות תיקון הרמוניות PFC, דרישות בטיחות, דרישות הנצילות ועוד.
דרישות אלו קובעות סטנדרטיים גבוהים מאוד לספקי הכח הן מבחינת עמידות בתנאי סביבה קשים של תאורת חוץ אשר עומדת תחת הגשם באופן תמידי, הן מבחינת טמפרטורת עבודה קיצונית בין קור וחום, יום ולילה ואזורים גיאוגרפים , הן מבחינת אמינות של עבודה ללא אוורור פנימי. ולכן חלק גדול מהספקים של חברת MEANWELL לתחום זה הינם ברמת אטימות לאבק וגשם ברמת IP-65/67. דרישות ה-EMC הינם דרישות נרחבות אשר דורשות טיפול בתיקון הרמוני PFC החל מהספק של 25W לעומת ספק רגיל שאמור לתקן הרמוניות PFC רק בלמעלה מ-P≥100W. גם דרישת העיוות ההרמוני הינה דרישת סינון ברמת CLASS C לעומת ספקי כח רגילים שנדרשים לעמוד ב-Class B רמת הגנה הנדרשת של SURGE הינה ברמה הגנה של 4KV EN-61000-3-2, דרישות בידוד מתח גבוהות של למעלה מ- 3750Vac בידוד בין כניסה ליציאה. מתח זה הינו גבוה מהדרישות הסטנדרטיות של ספק שעומד במתחי פריצה של 3000Vac בלבד כמו כן, דרישות SELV הנדרשים בספקים סטנדרטיים ישימים על ספקי ממתח הגבוה מ-60V וולט ואילו דרישות התקן למתח הסף בספקי כח לתחום ה- LED לדרישת ה-SELV הינו 25 וולט בלבד.
דרישות נצילות – הגדלת הנצילות וכתוצאה מכך חיסכון בצריכת החשמל הינה חלק גדול מהמוטיבציה למעבר לתחום זה ואשר נדרשת בחלק מהמדינות כדרישה מנדטורית בתחום תאורת הרגולציה פרמטר זה חשוב והכרחי בשיקולי התכנון ולכן מספר מדינות הסדירו זאת בתקנה אשר מגדירה את הניצלות המינימאלית לספק כח לתחום התאורה.
חברת MEANWELL אשר הינה חברה המובילה את הטכנולוגיה והמגוון בתחום ההספק בתאורת LED הוציאה לשוק מספר סדרות של ספקי כח אשר בנויים בטופולוגיה הכי חדישה של Z.V.C אשר מגיעים לנצילות של למעלה מ-90% וכתוצאה מכך יכולים לעמוד בתנאי סביבה קשים באיטום מלא IP67 לטבילה גם בהספקים גבוהים של 350W תוך פיזור ההספק ללא שום גורם פנימי היות ואמינות ספק הכח הינה מרכיב חשוב בכל תכנון מערכת וכמובן גם בתחום ה-LED רוב הספקים בתחום זה נושאים אחריות של 5 שנות.
לסיכום:
דרישות השוק החדשני והמתפתח של תחום תאורת ה-LED יצר סדרות של ספקים אשר נבנו ברמה גבוהה מאוד ועם הטכנולוגיות שהם המילה האחרונה בתחום האנרגיה וספקי הכח ולכן הדרישות הרגולטיביות ודרישות סביבת העבודה הקשיחות גרמו לתנועה שבה ספקי הכח לתחום התאורה הינם פורצי הדרך בתחום ספקי הכח והינם בעלי ביצועי וטכנולוגיה עודפות על כלל ספקי הכח בתחום התעשייתי לתחום ה-HI-TECH ולתחום הצבאי ולכן ספקים אילו נותנים יתרון של אמינות גבוהה ויתרון טכנולוגי אשר לא משפיע על עלות המוצר.
חברת Advice בשיתוף חברת MEANWELL פיתחה עם מספר לקוחות מגוון פתרונות לתחומים בהם נדרשו ספקים כח לסביבת עבודה בתנאי קשים מאוד ובנצילות גבוהה תוך שימוש ואינטגרציה עם ספקים אילו בהצלחה מרובה.
שלמה אוסטרובסקי הינו מנהל תחום ספקי הכח ואנרגיה מתחדשת בחברת אדוויס אלקטרוניקה.
