SSL-приборы для растениеводства используются в сложных условиях окружающей среды. ТОДД ФИЛЛИПС (TODD PHILLIPS) объясняет основы систем защиты цепи для подобных продуктов и рассказывает о требованиях нормативных испытаний.
Тепличное фермерство развивается быстрыми темпами, и это особенно связано с появлением осветительных светодиодных систем для растениеводства. Одним из факторов такого роста является быстрое сокращение площади пахотной земли, доступной для традиционного ведения хозяйства. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, мировой показатель обеспеченности сельскохозяйственными землями на душу населения сокращается пугающими темпами, от 0,38 гектара в 1970 г. до 0,23 гектара в 2000 г., а к 2050 г. он может составить всего 0,15 гектара на человека. В результате все больше производителей фруктов, овощей и цветов делают выбор в пользу тепличного фермерства в силу ряда причин, от желания расположить поля ближе к городу, стремления к более устойчивому земледелию на меньшем участке земли и с меньшими затратами ресурсов, до желания собирать урожай круглый год или просто выращивать культуры, которые обычно не произрастают в условиях определенного климата. Но разработчики тепличных приборов на основе светодиодной технологии должны выполнить несколько действий, чтобы обеспечить надежную работу в потенциально жесткой среде.
Действительно, для поддержания урожайности в течение всего года требуются отказоустойчивые осветительные системы. В прошлом такие системы были оснащены натриевыми лампами высокого давления (НЛВД). Хотя изначально они использовались для освещения улиц, парковок и охраняемых зон, затем их стали применять в теплицах, поскольку они обеспечивали высокую интенсивность света при длине волны в диапазоне 565–700 нм, что в свою очередь способствовало процессу фотосинтеза. Сегодня в растениеводстве используются твердотельные осветительные устройства (SSL), превосходящие НЛВД-лампы по многим параметрам, в первую очередь, по энергоэффективности.
ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ SSL
Преимуществ у светодиодного освещения достаточно много: такие приборы имеют простую регулировку как цикла включения-отключения и диммирования, так и спектра. Кроме того, светодиодные лампы отличаются долгим сроком службы (более 50 000 часов), что ускоряет их окупаемость и уменьшает расходы на обслуживание.
Но в то же время, разработчики осветительных систем, стремящиеся извлечь максимальную выгоду из растущего спроса на продукцию для тепличного фермерства, должны знать, что светодиодная технология не так устойчива к электрическим возмущениям, как НЛВД-лампы. Опасные условия, влияющие на системы освещения для растениеводства, могут возникать в результате воздействия факторов окружающей среды, таких как влажность и высокая температура, а также типичных резких отклонений, негативно влияющих на любую электрическую систему и приводящих к сбою питания и набросам нагрузки.
В отличие от общего освещения, светодиодные осветительные системы, предназначенные для выращивания растений, обычно используются в непрерывном режиме с целью увеличения годовой урожайности. Кроме того, зачастую рабочая среда имеет очень высокую влажность, и электронные приборы могут подвергаться химической, биологической и другим видам коррозии.
РИС. 1. Типичная схема запуска светодиодного светильника с устройствами защиты от внезапных переходных процессов и всплесков напряжения.
ПРИМЕНЕНИЕ В РАСТЕНИЕВОДСТВЕ
Тепличное фермерство охватывает различные системы выращивания и типы оборудования, от специально разработанных вертикальных ферм до переработанных контейнеров для транспортировки, а также системы выращивания растений как традиционным способом в стандартных контейнерах, так и на основе гидропоники. Существует несколько типов светодиодных осветительных приборов для растениеводства, и зависят они от вида выращиваемых растений и структуры среды. К таким приборам относятся светодиодные цепи, светодиодные матрицы, лампы для стимуляции цветения или линейные светодиодные лампы, также известные как TLED.
Электронная аппаратура управления (для регулировки времени и мощности) обычно расположена внутри корпуса, предназначенного для настенного монтажа. Вся система управления — от светодиодов до пассивных и активных восходящих компонентов — должна иметь защиту от внезапных переходных процессов. Обеспечение защиты от переходных процессов как светодиодов, так и всех пассивных и активных восходящих компонентов цепи, считается одной из важнейших задач при внутреннем использовании светодиодных светильников.
Любой электрический компонент, подсоединенный напрямую к источнику переменного тока, может быть поврежден в результате короткого замыкания или условий рабочей перегрузки, вызванных сбоями в работе компонента и/или цепи внутри светильника. Кроме того, всплески напряжения или переходные процессы переключения нагрузки (возникающие за пределами светильника) могут вызвать резкое повышение напряжения или круговые волны, которые могут создать нагрузку и существенно повредить детали внутри светильника.
КОМПОНЕНТЫ ЦЕПИ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ
Чтобы понять проблему защиты цепи, обратимся к стандартной схеме запуска. На рис. 1 изображена схема запуска светильника на базе светодиодов с распределением функциональных характеристик по компонентам основной цепи, при этом вход переменного тока выполнен слева, а напряжение к светодиодам подается с правой стороны. По направлению справа налево:
несколько одночиповых светодиодов соединены последовательно, что известно под названием «светодиодная цепь». Устройства защиты открытого светодиода (PLED) часто используются для предотвращения отключения всех светодиодов цепи в случае отказа одного из них. Как правило, несколько цепей подключаются параллельно и приводятся в действие общим источником питания.
Схема запуска светодиодной цепи с соответствующим контроллером для защиты, включая терморезистор с положительным температурным коэффициентом сопротивления (PTC) для защиты от перегрузки по току (OCP) и параллельно подключенный прибор, ограничивающий выбросы напряжений (TVS-диод), для защиты от перенапряжения (OVP).
Схема преобразователя постоянного тока с параллельным подключением TVS-диода на входе как вторичная система защиты от перенапряжения для нисходящих компонентов.
Схема линейных выпрямителей, включающая высоковольтный предохранитель постоянного тока на выходе в качестве второстепенной защиты от перегрузки по току нисходящих компонентов.
Компоненты фильтра подавления электромагнитных помех (EMI).
Входная схема переменного тока, состоящая из предохранителя переменного тока и подключенного параллельно металлооксидного варистора (MOV) с соединением фазы и нейтрали.
РАБОТА ЦЕПИ
Первичное устройство защиты от перегрузки по току светодиодного светильника расположено на входе переменного тока. Правильно подобранный по типу и размеру предохранитель переменного тока, соединенный последовательно с линией переменного тока должным образом защитит все нисходящие компоненты от переходных процессов, перегрузок по току и короткого замыкания путем безопасного отсоединения всех электронных деталей от линейного входа переменного тока.
Предохранитель разработан таким образом, чтобы специально служить слабым звеном в электрической цепи, обеспечивая защиту путем надежного и предсказуемого расплавления при коротких замыканиях и других перегрузках по току. Предохранитель переменного тока с необходимым значением интеграла 2t необходим для проведения соответствующих испытаний на выброс напряжения на основании таких стандартов, как испытания круговой волны Energy Star или IEEE C.62.41. Номинальная энергия расплавления I2t выражается в кв. амперах в секунду (A2сек.) и обозначает количество энергии, необходимой для расплавления защитного элемента.
Зачастую по значению номинальной энергии расплавления I2t выбирают предохранитель для сфер применения, в которых он должен выдерживать большие импульсы тока в течение коротких интервалов времени. Предохранители различной конфигурации по-разному реагируют на перенапряжение, даже если их значение номинальной энергии расплавления I2t превосходит показатель энергии сигнала. Например, электрические импульсы приводят к тепловым циклическим нагрузкам, которые могут вызвать механическую усталость предохранителя и сократить срок его службы.
РИС. 2. Energy Star определила требования к испытаниям на невосприимчивость к напряжению переходного процесса: 0,5 мкс длительность фронта импульса × 10 мкс длительность круговой волны (с частотой 100 кГц).
ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ
При выборе предохранителя для цепи переменного тока разработчики светодиодных осветительных систем для растениеводства должны учитывать большое количество параметров, включая следующие:
Первый шаг — это найти ответы на ряд технических вопросов относительно сферы применения. Эти вопросы включают в себя значение нормального рабочего тока в светильнике; напряжение; температуру окружающего воздуха; уровень тока перегрузки и время, в течение которого должен сработать предохранитель; максимально разрешенный ток короткого замыкания; импульсы, выброс тока, ток включения, стартовый ток, переходные процессы в контуре и пр.
На начальных этапах проектирования важно знать регион, в котором планируется использование светильника. В зависимости от того, будет ли использоваться светильник на территории США, в других странах Северной Америки, Европы, Азии или в других регионах, необходимо учитывать разные стандарты, устанавливающие требования к конструкции и испытаниям. Ознакомиться с рекомендациями относительно получения разрешений на производство и сертификатов в зависимости от географического региона можно в разделе этой статьи, посвященном стандартам по методике испытаний.
Для светильников на основе светодиодной технологии применимы пространственные ограничения. Определите возможные ограничения по размеру, поскольку это влияет на выбор типа используемого предохранителя. Предохранители могут быть выполнены в различных формах, однако конструкции с поверхностным монтажом являются наиболее распространенным вариантом. К счастью для разработчиков схем, компактные предохранители теперь обеспечивают защиту входа переменного тока, и некоторые из них наполовину меньше предохранителей самых малых размеров, ранее представленных на рынке.
Определите температуру окружающего воздуха для эксплуатации предохранителя. Для температуры окружающего воздуха около 25 °C обычно рекомендуется использовать предохранители, не превышающие при работе 75% значения номинального напряжения (для предохранителей по стандарту UL) и 100% от номинального напряжения (для предохранителей по стандарту IEC). В основном предохранители чувствительны к изменениям температурного режима, поэтому даже малые отклонения могут существенно повлиять на прогнозируемый срок службы предохранителя при нагрузке в соответствии с номинальным значением, который обычно составляет 100% от показателя. Для предохранителей, эксплуатация которых проводится в условиях повышенной температуры, может потребоваться снижение номинальных значений максимального рабочего тока предохранителя. Производители предохранителей предоставляют графики снижения номинальных значений для обеспечения работоспособности в определенных условиях.
Определите отключающую способность плавкой вставки в соответствии с применением. Как правило, она имеет название «номинальный ток плавления» или «расчетная мощность короткого замыкания». Это максимальное значение тока, который может безопасно разорвать предохранитель при номинальном напряжении. В условиях отказа или короткого замыкания предохранитель может испытывать мгновенный ток перегрузки, который может значительно превосходить его нормальный рабочий ток. Для безопасной эксплуатации требуется сохранение целостности предохранителя (отсутствие взрыва или разрушения корпуса) и выключение цепи линии.
Перед этапом производства убедитесь, что отведено достаточно времени на испытания воздействия окружающих условий, сферы применения и поверку. Выполнение данных требований обеспечит безопасную эксплуатацию системы питания светодиодного прибора в конкретных условиях.
ПЛАН ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ
Для светильника на основе светодиодной технологии первичное устройство защиты от перегрузки по напряжению — это металлооксидный варистор (MOV), расположенный на входе переменного тока. Он зафиксирует импульс напряжения малой продолжительности и при правильно подобранных параметрах поможет защитить нисходящие компоненты от повреждения электрическим перенапряжением (EOS), вызванным круговыми волнами и переходными процессами. MOV-варисторы представляют собой экономичный в использовании компонент, позволяющий минимизировать переходную энергию, которая может повлиять на нисходящие компоненты. Подбор правильного MOV-варистора зависит от ряда электрических параметров, включая номинальное напряжение, пиковый импульсный ток, энергетические параметры, размер пластины и конфигурацию ввода.
При выборе MOV-варистора необходимо учитывать следующие важные характеристики:
постоянное обратное напряжение (VR) — возможно, самый главный параметр. Постоянное обратное напряжение TVS-диода должно превосходить или быть равным пиковому рабочему напряжению цепи (или определенного участка цепи), защиту которого должен обеспечивать TVS-диод. Это условие необходимо для предотвращения реагирования TVS-диода на напряжение возбуждения цепи.
Пиковый импульсный ток (IPP) означает максимальное значение импульса тока, который способен выдержать TVS-диод без разрушения. Обычно он указывается в характеристиках согласно экспоненциальному сигналу (например, 10×1000 мкс). Чтобы определить нужный показатель IPP, разделите значение пикового напряжения на полное сопротивление источника.
Максимальное напряжение ограничения (VC) — это пиковое напряжение, которое возникает в TVS-устройстве при влиянии IPP, на основе указанного экспоненциального сигнала.
В помещениях для тепличного фермерства переходные процессы могут быть результатом вызванных молнией скачков напряжения на входе переменного тока, коммутационного перенапряжения, сбоя питания, аварийных отключений или воздействия влаги вследствие высокой влажности или полива. Возможны ситуации, когда электрические цепи определенных светодиодных светильников не могут выдержать необходимые переходные процессы, даже с установленным компонентом защиты от перенапряжений на входе переменного тока. В таких случаях добавление дополнительного TVS-диода в целях защиты от перенапряжения является оправданным решением, что впоследствии позволит зафиксировать сквозную энергию от MOV-варистора. В самых экстремальных ситуациях высоковольтный предохранитель постоянного тока (как показано в центральной части рис. 1) может использоваться для защиты звена постоянного тока от перегрузки.
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ТИПЫ ЗАЩИТЫ
Для долгой и надежной работы цепи светодиодов оправдано последовательное подключение полимерных самовосстанавливающихся терморезисторов с положительным температурным коэффициентом (PPTC) и светодиодов, что позволит предотвратить термическую нестабильность.
Кроме того, PLED-устройства осуществляют защиту светодиодной цепи. В случае обрыва светодиода в цепи в результате всплеска напряжения все остальные последовательно соединенные светодиоды погаснут. Многие разработчики добавляют PLED-устройства параллельно к каждому светодиоду, то есть в случае обрыва одного светодиода (обычно светодиоды переходят в открытое состояние при отказе) PLED шунтирует ток в обход отказавшего светодиода, сохраняя оставшуюся цепочку светодиодов в рабочем состоянии.
ВЫПОЛНИМЫ ЛИ ТРЕБОВАНИЯ НА СООТВЕТСТВИЕ СТАНДАРТАМ?
Как было сказано ранее, помимо обеспечения надежности цепи, группы разработчиков должны убедиться, что изделия будут соответствовать стандартам в разных географических регионах. Различные регулирующие организации по всему миру приняли ряд стандартов на проведение испытаний, которые устанавливают четкие требования для производителей на этапах проектирования, производства и испытания светодиодных ламп, систем и светильников для внутреннего пользования. Ниже приведены несколько наиболее важных стандартов.
UL 8750 (стандарт безопасности светодиодного оборудования, используемого в осветительных приборах) требует применения защитного устройства, которое разорвет цепь или ограничит ток в случае перегрузки с целью минимизации риска возгорания или поражения электрическим током. Для этого типа применения предохранитель является наиболее надежным и широко используемым средством защиты от коротких замыканий и перегрузок.
РИС. 3. Стандарт IEC 61000-4-5 устанавливает требования к испытаниям на невосприимчивость к выбросу напряжения: 1,2×50 мкс напряжение разомкнутой цепи и 8×20 мкс ток короткого замыкания.
В США производители ламп должны обеспечить соответствие требованиям Energy Star к напряжению при переходных процессах для сменных светодиодных ламп, используемых в бытовых или определенных промышленных условиях. Например, версия 1.4 программы Energy Star устанавливает требования к испытанию круговой волны 0,5 мкс, 100 кГц на переходном режиме (как показано на рис. 2) для цельных светодиодных ламп. Другие требования к проведению испытаний включают испытательный уровень 2,5 кВ/83 А, линейное напряжение (ANSI/IEEEC.62.41-1991, категория размещения A [т. е. внутреннее использование]) и возможность выдерживать семь импульсов в обычном режиме и семь — в дифференциальном режиме с интервалом в одну минуту между импульсами.
В других странах действуют стандарты IEC/EN 61347 для светодиодного драйвера (источник питания) и IEC/EN 62031 — для светодиодных матриц/модулей, содержащие требования к безопасности данных источников питания.
Стандарт IEC 61000-4-5 используется во многих странах. Этот стандарт часто применяется для светодиодных осветительных систем. Также часть стандарта IEC 61547 «Оборудование для общего освещения» устанавливает требования к проведению испытаний на электромагнитную совместимость. На рис. 3 изображены два графика, которые определяют длительность фронта импульса и продолжительность испытательного напряжения и тока.
Дополнительные требования к испытаниям включают следующие параметры:
Для ламп со встроенным балластом и светильников с характеристиками ниже, чем 25 Вт, 500 В/250 А: линейное напряжение 500 В с сопротивлением источника 2 Ом и напряжение относительно земли 1 кВ с сопротивлением 12 Ом.
Для светильников с характеристиками, превышающими 25 Вт, 1000 В/500 А: линейное напряжение 1 кВ с сопротивлением источника 2 Ом и напряжение относительно земли 2 кВ с сопротивлением 12 Ом.
Десять ударов, 5+ и 5-, при углах сдвига фазы 90°/270°, с интервалом в одну минуту между каждым ударом.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В условиях развития сектора тепличного фермерства инженерам световой техники необходимо понимать, что особенно важно собирать информацию о способах защиты светодиодов, поскольку этот аспект имеет огромное значение для отрасли. Производители устройств защиты цепи — идеальный источник информации о доступных на рынке типах предохранителей, MOV-варисторов и TVS-диодов и способах их применения.
ТОДД ФИЛЛИПС, Директор по глобальному маркетингу компании Littelfuse по направлениям светодиодных технологий, центров обработки данных и рынка мобильных услуг. В 2006 году г-н Филлипс занял должность инженера отдела продаж подразделения по работе с предприятиями в компании Littelfuse. В 2011 году он перешел в бизнес-подразделение электроники и занял позицию регионального руководителя отдела продаж. В настоящее время в его должностные обязанности входит развитие сопутствующих маркетинговых материалов, управление маркетинговыми мероприятиями при запуске новых продуктов и выполнение исследований рынка, а также проведение экспертизы осуществимости в отношении новых проектов продуктов. В 2018 году г-н Филлипс посетил конференцию IES Street & Area Lighting и участвовал в видеороликах на тему интеллектуального лидерства компании Littelfuse. Он получил степень бакалавра наук в области электротехники (BSEE) в Школе инженерных наук в Милуоки (Milwaukee School of Engineering).