Istenie svetelného obvodu s použitím napájacích zdrojov MEAN WELL

Vstupné napätie zdroja MEAN WELL

Ak vstupné napätie je jednosmerné, sínusové, alebo pulzné, maximálna hodnota sa vypočíta ako 1,4 násobok špičky udávaného sínusového napätia v technickom liste. Napríklad ak je vstupné napätie 85 až 264VAC, môže sa zdroj napájať napätím 120 až 370VDC

Frekvencia napätia na vstupe zdroja je všeobecne 50 až 60Hz. Frekvencie mimo tohto rozsahu, napr. pri použití na lodiach je možné použiť na napájanie, ale napr. pri frekvencii 440Hz je potrebné počítať s vyšším prúdom odberu zdroja naprázdno – bez záťaže.

Impulzné napájacie zdroje MEAN WELL obsahujú vyhladzovací kondenzátor umiestnený za vstupným usmerňovačom. To spôsobuje odber prúdu hlavne v okamihu špičky sínusového priebehu  napätia na vstupe  zdroja.  Zdanlivý výkon sa zvyšuje v dôsledku vysokých špičiek prúdu, a to vedie k nízkemu účinníku. V súčasnosti pre zdroje bez obvodov kompenzácie účinníka je PF v rozmedzí od 0,4 ~ 0,6,  zdroje s funkciou PFC majú PF viac ako 0,95.




Kde je účinnosť <0 - 1,0 x 100 %>, PF je power factor <0-1,0> a PFC je z anglického “power factor correction”


Vstupný prúd do zdroja MEAN WELL a zapínací prúd (cold start)

V okamihu, keď zdroj je pripojený na sieť 230VAC,  je potrebné nabiť vstupný kondenzátor, čo vyvolá krátku, ale značnú špičku. Táto špička sa v technických listoch a manuáloch označuje ako  inrush current. Je to vlastnosť spínaných napájacích zdrojov a každej kapacitnej záťaže.

Obmedzenie špičky sa realizuje vnútornými obvodmi a filtrami na vstupe zdroja, alebo externými zariadeniami – obmedzovačmi prúdu. Použitím vysokej rezistancie počas prechodového javu na vstupe napr. pomocou varistora, sa obmedzí značne prúdová špička. Obmedzí to ale použiteľný výkon zdroja. Naopak, pri vyšších výkonoch je použiteľná rezistancia nižšia, ale špička pri zapnutí je o to väčšia.

Nie je vhodné impulzný napájací zdroj opakovane pripájať a odpájať tesne po sebe. Vhodný je niekoľkosekundový interval.

Nie je vhodné pripájať vodiče ACL a ACN zdroja pod napätím, počas pripájania je prechodový jav, iskrenie, čo môže niekoľkokrát znásobiť prúdovú špičku – inrush current. Na obrázku 1 je typické zapojenie.



Obrázok 1, typické zapojenie vstupu spínaného napájacieho zdroja


Pre elimináciu prechodových javov je vhodné použiť odporúčané zapojenie výrobcu, ako je zrejmé z obrázku 6. Toto odporúčanie sa z dôvodu použitia jednopólových alebo schodišťových spínačov často nedodržuje.



Obrázok 2, odporúčané zapojenie napájacieho zdroja na primárnej strane


Spínané napájacie zdroje pracujú na frekvencii 70 až niekoľko sto kHz, čím sa dosahuje zníženie rozmerov a hmotností pri vysokom dosiahnuteľnom výkone. Súčasne je dosiahnuteľné dokonalé galvanické oddelenie, izolačnú pevnosť a teda vysokú bezpečnosť. Princíp spínaného zdroja je zrejmý z obrázku 3. Pochopenie tohto princípu umožňuje vysvetliť v čom je rozdiel od klasického zdroja obsahujúceho transformátor na frekvencii 50Hz. Z výstupu je použitá spätná väzba do spínacieho obvodu na primárnej strane cez optočlen, ktorý je dostatočne rýchly a zabezpečí presné stabilizované napätie na výstupe a tiež galvanické oddelenie.



Obrázok 3, princíp spínaného napájacieho zdroja


Harmonický prúd a s tým súvisiace merané hodnoty

U štandardných AC/DC zdrojov, ktoré obsahujú hlavný usmerňovač a vyhladzovací kondenzátor dochádza k odberu vo veľmi krátkych intervaloch.  Vznikajú prúdové impulzy na vstupnej AC linke a generujú sa harmonické zložky.

Neharmonický/nesínusový priebeh prúdu môže interferovať s inými elektrickými zariadeniami a tiež znížiť účinník. Aby sa zabránilo interferencii s inými zariadeniami, funkcia PFC (Power Factor Correction) by mala byť použitá vždy, umožňuje sínusový priebeh odoberaného prúdu a zlepšuje kvalitu a efektivitu napájania.



Obrázok 4, priebeh napätia a prúdu u primárnej strane bežného spínaného napájacieho zdroja



Obrázok 5, priebeh napätia a odoberaného prúdu u primárnej strane napájacieho zdroja s funkciou PFC a bez nej


V praxi sa hodnota vstupného napätia, prúdu a prípadne príkonu zdroja udáva jediným číslom, ktoré predstavuje efektívnu hodotu, prípadne maximálnu hodnotu. Z uvedeného ale vyplýva, že uvedené veličiny treba vnímať ako dynamické a mení sa tým aj pohľad na už dávno zaužívané vlastnosti elektrických spotrebičov.

Účinník je veličina zavedená pre harmonický priebeh napätia a prúdu a je to kosínus uhla ktorý je medzi týmito (takmer) sínusovými priebehmi a teda môže mať hodnoty od 0 do 1, a znamienko kladné aj záporné podľa uhla posunu. Dá sa kompenzovať pasívne i aktívne.

PF anglicky power faktor, slovensky - činiteľ výkonu - je podiel činného výkonu ku súčinu Uef x Ief. Zariadenia, ktoré majú na vstupe neriadený usmerňovač sa vyznačujú tým že zo siete odoberajú prúd iba vo vrchole napätia. Takýto priebeh prúdu je nevýhodný pre energetikov lebo vzhľadom na jeho malú strednú hodnotu má veľkú efektívnu hodnotu a to spôsobuje straty na vedeniach a neefektívne zaťažovanie generátora distribučnej siete. Preto je snaha aby zariadenie odoberalo sínusový prúd, ktorý je vo fáze s napätím. Na takúto funkciu slúžia obvody pre korekciu činiteľa výkonu čiže PFC obvody. Často je to menič zvyšujúci napätie zaradený za neriadený usmerňovač, na ktorého výstupe býva obyčajne 400VDC. Toto napätie sa potom spína na vyššej frekvencii rádovo 70 až 500kHz. Na tomto princípe pracujú aj zdroje MEAN WELL pre napájanie LED.

Na obrázkoch  sú praktické merania vykonané v reálnom prostredí s najpoužívanejšími zdrojmi MEAN WELL, z ktorých je zrejmé, že použité aktívne obvody PFC sú naozaj kvalitné. Lacnejšie zdroje bez funkcie PFC sú inštalované pre nižšie výkony 60W, výnimočne vyššie ak ide o individuálne použitie. Nad výkon 150W má funkciu PFC prakticky každý zdroj MEAN WELL určený na napájanie LED.


Pri dodržaní pracovných podmienok daného zdroja výrobca dáva záruku, ktorá u väčšiny zdrojov MEAN WELL pre LED je 5 až 7 rokov. Pravdepodobnosť poruchy aj v tomto prípade má priebeh tzv. vaňovej krivky na obrázku 5, z ktorej sú zrejmé merateľné a štatisticky podložené časové intervaly. Sú to:

Initial Failure Period – počiatočné obdobie porúch, relatívne krátke – niekoľko hodín až týždňov. Niekedy nazývané zahorovanie, výrobca sa toto obdobie snaží eliminovať výberom súčiastok a zdokonaľovaním výstupnej kontroly na maximálnu možnú mieru.

Random Failure Period – obdobie náhodnej poruchy, popisované parametrom MTBF - Midle Time Between Failure a je to obdobie minimálneho výskytu porúch. Samozrejme početnosť chýb závisí od spôsobu použitia a pracovných podmienok.  Typicky ide o dobu 5 až 7 rokov.

Fatigue Failure Period - nasleduje po období náhodných porúch,  v tomto období sa prejavuje koniec života súčiastok, hlavne elektrolytických kondenzátorov.



Obrázok 6. Priebeh pravdepodobnosti poruchy tzv. vaňová krivka


Zapnutie a vypnutie veľkého priemyselného spotrebiča vytvorí na živých napájacích vodičoch impulz. Samozrejme impulz môže vzniknúť indukciou od susedných vodičov alebo zásahom blesku. Niekedy sa môže stať, že impulz prekročí povolené parametre spotrebiča, napríklad napájacieho zdroja a za týmto účelom sa inštalujú zariadenia na absorbovanie impulzu MEAN WELL SPD-20 minimálne medzi ACL a ACN. Väčšina LED napájacích zdrojov MEAN WELL ochranu proti krátkym špičkám obsahuje, ale táto externá ochrana zvyšuje spoľahlivosť celej aplikácie. Ide o veľmi užitočné zariadenie napríklad pri realizácii pouličného osvetlenia.

Zapojením SPD-20 medzi ACL a FG prípadne ACN a FG dosiahneme ochranu pred zásahom blesku do inštalácie buď priamo alebo indukciou.

Na obrázkoch 8 až 16 sú priebehy napätia a prúdu v reálnom prostredí (ani sínusovka napätia vo verejnej sieti, ako vidieť, nie je ideálna).




Obrázok 7, princíp zapojenia zariadení na ochranu pred prepätím na vstupe



Obrázok 8, odporúčané zapojenie zdroja cez vypínač








Obrázok 9 až 11 Priebeh vstupného napätia a prúdu (zelená) u zdroja MEAN WELL LPV-100 so záťažou 0%, 50 % a 100 %








Obrázok 12 až 14 Priebeh vstupného napätia a prúdu (zelená) u zdroja MEAN WELL LPF-90 so záťažou 0 %, 50 %, 100 %








Obrázok 15 až 17 Priebeh vstupného napätia a prúdu (zelená) u zdroja MEAN WELL HLG-320H so záťažou 0 %, 50 % a 100 %



Na záver uvádzame užitočné tabuľky, ktoré pomôžu vybrať typ nadprúdovej ochrany pri inštaláciach s viacerými spínanými zdrojmi pripojenými paralelne.






Tabuľky 1 až 4, počet napájacích zdrojov súčasne pripojiteľných na jeden istič v elektrickej inštalácií EU 230VAC


V tabuľkách sú uvedené počty zdrojov MEAN WELL pripojiteľných súčasne na jednu fázu v bežnej elektroinštalácii tak, že aj v krajných prípadoch pri výpadku prúdu a súčasnom zapnutí aplikácie práve v špičke sínusovky striedavého napätia 230V nedôjde k vybaveniu prúdového ochranného prvku (ističa). Hodnoty sú vypočítané vzhľadom na veľkosť kapacity daného zdroja a obvodové riešenie vstupných obvodov. Zaujímavé je napríklad fakt, že zdrojov APV-8 s výkonom 8W je možné pripojiť na istič typu B10 11 kusov, ale zdrojov CLG-60 alebo PLN-60 s výkonom 60W je možné pripojiť na ten istý istič až 20 kusov. Spomínané zdroje majú obvody PFC a dokonalejšie vstupné filtre.

Pozývame Vás na výstave ELOSYS 2016 do stánku MEAN WELL – JDC s.r.o. v pavlilóne 1, číslo stánku 18 v dňoch 11. až 13. októbra 2016 v priestoroch veľtržného  Expo Centra v Trenčíne.

Text: Ing. Alek Tropp, PhD.

Späť

Priemyselné utierky

MEWA - priemyselne_utierky