Dioda electro-luminiscentă (LED) este un dispozitiv eficient, iar construcția sa de tip „solid-state” promite o durată mare de viață. Odată cu disponibilitatea din ce în ce mai mare a dispozitivelor de iluminare de mare intensitate, LED-ul devine rapid o componentă principală pentru asemenea aplicații. Deși utilizarea LED-urilor promite durate de viață mult mai lungi decât tehnologiile mai vechi de tip incandescent și fluorescent, utilizatorii pot fi dezamăgiți de defectarea timpurie a corpurilor de iluminat pe care le cumpără. Recenziile online, precum și părerile consumatorilor exprimate direct, transmit rapid pieței cât de bine funcționează diverse mărci din punct de vedere al fiabilității, existând riscul de afectare a reputației producătorului și, implicit, al scăderii vânzărilor în raport cu competitorii care, se pare că oferă produse cu performanțe mai mari.
De ce se pot defecta LED-urile
În ciuda reputației lor pentru fiabilitate ca dispozitive ”solid-state”, LED-urile pot fi destul de fragile, iar un motiv esențial pentru o defectare timpurie este deteriorarea LED-urilor în sine, cauzate de supratensiuni tranzitorii, care pot proveni din multe surse. Deoarece LED-urile sunt adesea utilizate în medii de joasă tensiune, ca indicatoare și rareori se confruntă cu supratensiuni ce le pot deteriora, adesea proiectanții subestimează riscul care apare la LED-uri atunci când sunt folosite în aplicații din medii mai dure și exigente, cum ar fi iluminatul exterior.
Vorbind tot de fiabilitate, sunt cunoscute vulnerabilitățile de defectare ale LED-urilor, atât din punct de vedere mecanic, cât și termic. De exemplu, un LED operând la putere maximă pentru perioade lungi de timp va genera cantități mari de căldură care, în timp, vor deteriora conexiunile din interiorul capsulei. Pe măsură ce firele metalice se oxidează datorită căldurii, acestea devin fragile în timp, crescând probabilitatea unei defecțiuni a LED-ului, în special în aplicațiile în care există vibrații. Alte cauze ale defecțiunilor LED-urilor sunt, ca și la alte semiconductoare, evenimentele de descărcare electrostatică (ESD) sau supratensiunile induse de eventuale fulgere din apropiere.
Figura 1: Un sistem tipic de iluminare cu LED-uri care prezintă zone de protecție a circuitului pentru porțiunea AC, porțiunea DC și pentru LED-urile în sine.
O provocare suplimentară, care poate apărea într-un proiect de iluminare cu LED-uri, este atunci când un întreg șir de LED-uri dintr-un corp de iluminat nu poate funcționa din cauza unei probleme apărute doar la unul dintre LED-urile din arie. Acestea sunt conectate, de obicei, în serie și alimentate de la o sursă de curent constant care asigură luminozitatea, culoarea și intensitatea dorite de aplicație. Conectarea în serie este avantajoasă, deoarece aceasta oferă un comportament consistent pentru toate LED-urile din șir, oferind o luminozitate mai uniformă. Un circuit deschis apărut într-un singur LED dintr-un șir, cauzat probabil de distrugerea unei conexiuni din interiorul capsulei, poate provoca defectarea întregului șir. În aplicațiile de iluminat exterior precum cea a unei piste de aeroport, defectarea șirului de LED-uri poate diminua sau opri lumina, ceea ce creează un pericol de siguranță. Panourile publicitare de afișare cu LED-uri sunt mai puțin critice pentru misiunea lor, dar punctele necompletate cauzate de defectările într-un șir de LED-uri vor duce la reclamații și reducerea veniturilor, datorate costurilor mai frecvente de întreținere. În aplicațiile casnice, mărcile care sunt cunoscute ca fiind predispuse la defectări timpurii se vor confrunta cu probleme în piață.
Țineți cont de circuitele de protecție atunci când proiectați o aplicație
Atunci când nu pot fi evitate, defectările pot fi totuși reduse cu ajutorul unor circuite atent proiectate. Multe sisteme vor avea un anumit nivel de protecție la ESD și la supratensiune, acest lucru fiind, adesea, axat pe prizele de alimentare. Desigur, intrarea de curent alternativ este o zonă cheie de focalizare pentru protecție, dar în orice aplicație de iluminare cu LED-uri, există trei zone care necesită circuite de protecție. La fel ca intrarea de curent alternativ, partea de curent continuu a sursei de alimentare și LED-urile în sine au nevoie de protecție, iar proiectanții ar trebui să abordeze toate tipurile de protecție necesare în fiecare punct al circuitului.
Protejarea LED-ului în sine
Problema defectării unui singur LED care determină întunecarea întregului șir poate fi evitată destul de simplu, prin plasarea unui dispozitiv de protecție ”open-LED” în paralel cu fiecare LED din șir. Un tip de componentă care poate acționa ca un protector ”open-LED”este un șunt electronic. Acesta permite curentului să ”ocolească” circuitul care s-a defectat și să alimenteze LED-urile rămase din șir. Șuntul este un dispozitiv cu două terminale care se resetează automat în cazul în care conexiunea ”deschisă” (LED-ul defect) își revine ulterior sau LED-ul este înlocuit.
Un model bun pentru un astfel de șunt protector este un comutator acționat în tensiune, care, în starea de așteptare, are curenți de scurgere de ordinul microamperilor. Odată ce un LED se întrerupe, există tensiune suficientă în circuit pentru a declanșa protectorul să treacă în starea activă. Un avantaj al acestui tip de protector este imunitatea sa încorporată la supratensiune – ocolind LED-ul în cazul unor evenimente ce pot fi induse de fulgere din apropiere sau de ESD. Exemple de astfel de șunturi electronice pot fi găsite în familia PLED; dispozitivele din această serie protejează LED-urile și de o tensiune inversă accidentală.
PLED-urile sunt relativ ușor de specificat. Cu parametri precum tensiunea directă și curentul direct, precum și schema de conectare utilizată în șirurile de LED-uri, tot ce mai trebuie este să se determine dimensiunea dispozitivului PLED și nivelul său de protecție. Curentul de comutare al PLED-ului trebuie să fie mai mic decât valoarea furnizată de sursa de curent constant, iar tensiunea de pornire trebuie să fie mai mică decât tensiunea de „conformitate”, care este tensiunea maximă de ieșire în circuit deschis furnizată de sursa de alimentare a șirului de LED-uri.
Pasul următor este de a determina numărul de LED-uri protejate de un singur PLED: un proiectant poate risca pentru o diminuare a iluminării care rezultă din faptul că are trei LED-uri nealimentate, dacă doar unul din grup se întrerupe. De obicei, un PLED6, care se declanșează la 6V, protejează un LED, un PLED9, care se declanșează la 9V, este potrivit pentru utilizarea cu două LED-uri, iar PLED13 poate fi utilizat cu un grup de trei LED-uri.
Alte componente care ar putea fi utilizate pentru a oferi protecție „open-LED” au adesea dezavantaje. De exemplu, redresoarele controlate cu siliciu (SCR – Silicon-Controlled Rectifier) și diodele Zener dispun de atributele care le pot face să pară potrivite pentru această sarcină. O diodă Zener oferă o protecție eficientă împotriva ESD și împotriva fulgerului, precum și o protecție împotriva polarității inverse. Cu toate acestea, nu va supraviețui mult timp în aplicația reală: atunci când dioda este deschisă, curentul prin șirul de LED-uri o va supraîncărca, scurtându-i durata utilă de viață. Un SCR va asigura protecția în cazul apariției de LED-uri întrerupte (open-LED), dar nu va asigura protecția împotriva ESD și a fulgererelor și nu va oferi protecție nici împotriva polarității inverse. De asemenea, un dispozitiv SCR este, tipic, un dispozitiv mare și voluminos, care va fi greu de adăugat în multe corpuri de iluminat cu înaltă strălucire, unde LED-urile pot ambalate ermetic.
Protecție pentru intrarea de curent alternativ (AC)
Când vine vorba de selectarea protecției pentru intrarea de curent alternativ, o considerație esențială este că aceasta este zona care e cel mai susceptibilă la supratensiuni generate de un fulger din apropiere. Orice dispozitiv de protecție trebuie să fie suficient de robust pentru a suporta cerințele de supratensiuni la fulger. Este necesar un minimum de 3kA, dar poate fi important să garantezi 6kA. Răspunsul trebuie să fie rapid și pentru a limita orice daune din aval. Criteriile pentru selectarea siguranței de linie pentru intrarea de curent alternativ includ tensiunea și curentul, precum și nivelul de clasificare I2T. Al treilea parametru oferă un indicator al cantității de energie la care elementul de siguranță poate rezista înainte de deschidere. Ca rezultat, siguranțele cu întârziere în timp au ratinguri I2T mai mari decât siguranțele cu acțiune mai rapidă. În plus, valoarea I2T crește proporțional cu clasificarea curentului siguranței.
Alte componente cheie atunci când ne referim la alimentarea AC sunt supresorul de tensiune tranzitorie (TVS – Transient Voltage Suppressor) sau varistorul cu oxid de metal (MOV – Metal-Oxide Varistor), care se utilizează pentru a conduce supratensiunile departe de componentele sensibile.
Protecție pentru intrarea DC
Mai în aval, o componentă crucială în secțiunea de curent continuu este siguranța de înaltă tensiune DC, care este proiectată să se deschidă în cazul apariției de supracurent. Un TVS secundar în secțiunea DC protejează suplimentar împotriva supratensiunilor, prevenind deteriorarea electronicii de control din convertorul de putere, precum și limitarea încărcării dăunătoare care poate fi făcută prin șirurile cu LED-uri.
În concluzie, deși LED-urile pot avea o durată de viață mult mai mare decât soluțiile de iluminat tradiționale, acestea au nevoie de circuit de protecție adecvat pentru a se asigura că acestea își pot îndeplini sarcinile. Concentrându-vă pe cele trei elemente cheie ale proiectării electrice a unui corp de iluminat, LED-urile vor avea o durată mare de funcționare și vor putea fi utilizate în medii din ce în ce mai dure.
Resurse:
- Mai multe informații despre seria de dispozitive PLED de la Littelfuse găsiți la acest link: https://www.electronica-azi.ro/wp-content/uploads/2020/03/PLED-Open-LED-Protectors.pdf
- Notă de aplicație: Circuite de protecție împotriva ESD și a supratensiunilor: https://www.electronica-azi.ro/wp-content/uploads/2020/03/Littelfuse_ESD_and_Surge_Circuit_Protection_Overview_Application-Note.pdf
Autor:
Andrew Fawcett, Senior Product Manager
https://ro.farnell.com