A feszültségtartomány helyes meghatározása áramgenerátoros LED tápegységek alkalmazásánál

Mindenekelőtt tisztában kell lenni egyrészt azzal, hogy a LED-ek nyitófeszültsége chipenként eltérő, másrészt pedig azzal, hogy a nyitófeszültség függ a chip hőmérsékletétől. Mivel a tápegység meghatározó a fényforrás megfelelő működése és üzembiztonsága szempontjából, érdemes mélyebben megvizsgálni azokat a tényezőket, amelyek a LED nyitófeszültségét befolyásolják. Cikkünk bemutatja a LED-ek nyitófeszültség változásának főbb vonatkozásait és a tápegységek feszültségtartományának helyes meghatározását.

Egy LED-es fényforrás megtervezése komplex mérnöki feladat, melynek egyaránt része az optikai, a termikus és a villamos tervezés. Az optikai követelmények teljesítése érdekében először a LED-ek típusát és mennyiségét, valamint azok meghajtóáramát kell meghatározni. Üzembiztonsági megfontolásból és / vagy moduláris tervezési szempontból, a LED-eket soros és párhuzamos elrendezésbe célszerű kapcsolni. Ezek után már megbecsülhető az üzemi feszültségszint megszorozva a sorba kötött LED-ek számát a LED tipikus nyitófeszültségével.

üzemi feszültségszint = nyitófeszültség (V_forward) x sorba kötött LED-ek száma

A fenti számítás nagyságrendi becslést ad az üzemi feszültségről, melyet megszorozva a meghajtóárammal, megkapjuk a teljesítményigényt. Az így meghatározott üzemi feszültség azonban nem egy abszolút érték és nem alkalmas a megfelelő működés biztosításához. A tápegység feszültségtartományának meghatározásához az alábbiakat kell figyelembe venni:

• a LED feszültség-áram (U-I) karakterisztikája
• a gyártási szórás
• a hőmérsékleti együttható.

LED feszültség-áram karakterisztika

Egy ideális LED nyitófeszültsége nem változik az áram növekedésével. A valóságban azonban a nyitófeszültség az átfolyó áram függvényében változik. Ezért fontos a LED feszültségét a tényleges meghajtóáram alapján meghatározni, nem szabad a specifikációban megadott szabványos vizsgálati értékre hagyatkozni. Az alábbi példában a specifikáció szerint a LED tipikus nyitófeszültsége 3,2V 350mA-es meghajtóáram és 85°C-os chip hőmérséklet mellett. Ha LED-et nem 350mA, hanem 1A árammal hajtjuk meg, a nyitófeszültsége 3,2V-ról 3,8V-ra emelkedik. Ez a 0,6V-os különbség nagyon eltérő üzemi feszültséghez vezethet, ha sok LED van sorba kötve. Még rosszabb lehet a helyzet, ha a LED tápegységnek magas a kimeneti hullámossága, ugyanis ez 1A feletti csúcsáramokat okozhat, ami további nyitófeszültség emelkedéssel járhat.

Gyártási szórás:

Az egyes LED-ek nyitófeszültsége a gyártási szórás miatt eltérő. Egy fejlett gyártási eljárás alacsonyabb szórást tud biztosítani, ahol a nyitófeszültségek normális eloszlást követnek (3. ábra). A gyártási szórásból fakadó eltérés mértéke jellemzően kevesebb, mint 10%, amely közvetett módon kikövetkeztethető az adatlapban feltűntetett tipikus és maximum értékekből. Azonban fontos megjegyezni, hogy a gyártók általában nem teszik közzé a nyitófeszültség eloszlását.

Bár az abszolút maximum és minimum értékek 10%-kal is eltérhetnek a tipikus értéktől, minél több LED van sorba kötve, statisztikailag annál valószínűbb, hogy az átlagos nyitófeszültség a tipikus érték körül alakul. Javasolt azonban egy 10%-os feszültség ráhagyással számolni. Ennél magasabb ráhagyásnak kedvező hatása lehet a tápegység élettartamára, azonban a költségek további emelkedésével jár.

LED nyitófeszültség a hőmérséklet függvényében:

A LED nyitófeszültsége negatív hőmérsékleti együtthatójú, azaz a félvezető lapka hőmérsékletének emelkedésével csökken a nyitófeszültség. Mivel a LED hőtermelő, a fényforrás megfelelő termikus tervezést igényel a közel állandó chip hőmérséklet és ennek megfelelő közel állandó nyitófeszültség elérése érdekében. A legrosszabb eset az, amikor a fényforrás alacsony hőmérsékleten indul. Az alacsony hőmérsékleten szükséges többletfeszültség megbecsüléséhez a gyártó által megadott tipikus feszültség-hőmérséklet görbét kell alapul venni. Sok gyártó méretező szoftvert is biztosít, mellyel különböző hőmérsékletek és meghajtóáramok függvényében határozható meg a nyitófeszültség.

Igen jelentős üzemi feszültség igény eltérés adódhat össze az alacsony hőmérséklet, a gyártási szórás és a meghajtóáram különbségek együtteséből. Az előző példában a többlet feszültség igény csak ideiglenes, ezért azt nem kell tartósan fenntartani.

Ennek az igénynek a kezelésére léteznek olyan fejlett LED-tápegységek, amelyek feszültség-adaptív funkcióval rendelkeznek a rövid távú magasabb feszültségigény kiszolgálására.A MEAN WELL HLG-480H-C LED tápegysége például „környezet adaptív” funkcióval rendelkezik, ami automatikusan csökkenti a kimeneti áramát a magasabb üzemi feszültségigény kielégítése céljából, fenntartva a teljes kimeneti teljesítményét. A fényforrás bekapcsolását követően fokozatosan felmelegszik, a feszültség visszaesik a normál szintre és az áram is visszaáll az eredetileg tervezett értékre. A „környezet adaptív” funkcióval rendelkező MEAN WELL LED tápegységek 20%-kal magasabb feszültség ráhagyást nyújtanak, mint más LED tápegységek. A MEAN WELL HLG-480H-C1400 típusú tápegység kimeneti feszültségtartománya 171÷343V, de átmenetileg akár 412V-os kimeneti feszültséget is tud biztosítani a fényforrások rendkívül alacsony hőmérsékleten (pl. -40°C) történő bekapcsolásához

A HVGC állandó teljesítményű termékcsalád, a HLG-480H-C-hez hasonlóan, nagyobb kimeneti feszültséget tud biztosítani a kimenetén az áramerősség csökkentése mellett.

Példa és összegzés:

Tekintsünk példának egy fényforrást, amelyben 2 párhuzamos sorban összesen 100 db, tehát soronként 50 db LED van sorba kötve. A meghajtóáram 1,05A, míg a legalacsonyabb specifikált környezeti hőmérséklet 0°C.

Az üzemi feszültségigény meghatározásának módszerei

1.Módszer: határozza meg a feszültségigényt a LED gyártójának méretező szoftverével.

2.Módszer: A LED adatlapja alapján kövesse az alábbi lépéseket:

1.lépés: A feszültség-áram görbén keresse meg a meghajtó áramhoz tartozó nyitófeszültség értéket. A 2. ábra szerint az 1,05A-hez 3,8V tartozik.

2.lépés.: Szorozza meg ezt a feszültséget a sorba kötött LED-ek számával.

3,8V x 50 = 190V

3.lépés Számolja ki a gyártási szórást a maximális és a tipikus feszültség arányából.

3,48V/3,2V = 108,75%

Majd szorozza meg a 2. lépésben kapott feszültségértéket a szórási értékkel.

190V x 108,75% = 206,6V

Tehát a nyitófeszültség a legrosszabb esetben 207V lehet.

A tápegység áramhullámosságát itt nem vettük figyelembe!

4.lépés: Vegye figyelembe hőmérsékleti együtthatót, hogy megkapja a hideg induláskor szükséges nyitófeszültséget.

A 4. ábra alapján a tipikus nyitófeszültség 0°C-on 3,6V, 85°C-on pedig 3,2V.

Feltételezve, hogy a fényforrás üzemi hőmérséklete 85°C.

3,6V (Tj=0) / 3,2V (Tj=85) = 1,125 < 1,2

Ezek alapján hideg indításkor az összesített tipikus nyitófeszültség:

190V x 1,2 = 228V

Legrosszabb esetben 207V x 1,2 = 248,4V

Javasolt típus: HLG-480H-C2100

A fényforrás névleges igénye 190V és 2,1A azaz 399W, illetve legrosszabb esetben 207V és 2,1A azaz 435W. Ezek az értékek a HLG-480H-C LED tápegység üzemi paraméterein belül vannak. Továbbá, mivel a HLG-480H-C2100 tápegység kimeneti áramhullámossága nagyon alacsony, az ebből származó nyitófeszültség-változás elhanyagolható. Alacsony hőmérsékleten a feszültségigény rövid ideig meghaladhatja a 249V-ot, ami a normál áramgenerátoros tartományon kívül esik, azonban ilyen helyzet ritkán fordul elő és a HLG-480H-C2100 környezet adaptív funkciója, amely akár 275V kimeneti feszültséget is megenged csökkentett áramerősség mellett, lefedi ezt az igényt.