Возделывание сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях бросает вызов защите цепей в системах светодиодного освещения

Плодоовощные твердотельные светильники столкнулись с пугающей экологической проблемой. ТОДД ФИЛЛИПС объясняет основы защиты цепи при разработке таких видов продукции и нормативные требования к испытаниям.

Возделывание сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях стремительно занимает позиции растущей отрасли, особенно с появлением светодиодного освещения для возделывания сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях. Одним из факторов, стимулирующим этот рост, вероятнее всего является быстрое уменьшение количества пахотных земель, пригодных для традиционного сельского хозяйства. Согласно данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, количество пахотных земель на человека сокращается по всему миру тревожными темпами, сократившись с 0,38 га в 1970 году до 0,23 га в 2000 году, с прогнозируемым сокращением до всего-лишь 0,15 га на человек к 2050 году. В результате этого все больше сельхозпроизводителей обращаются к возделыванию сельскохозяйственных культур (включая фрукты, овощи и цветы) в закрытых помещениях по причинам, которые варьируются от желания перенести поле ближе к столу до возделывания сельскохозяйственных культур более эффективными и рациональными способами с точки зрения окружающей среды - задействуя меньшее количество земель и ресурсов, до возможности сбора урожая круглый год, или же просто выращивать культуры, которые в противном случае могут произрастать и плодоносить в определенных климатических условиях. Однако разработчикам, работающим со светодиодными осветительными приборами для возделывания сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях, необходимо предпринять меры, чтобы обеспечить надежную работу в потенциально суровых условиях.

Ведь на самом деле возможность выращивать сельскохозяйственные культуры в закрытых помещениях круглый год требует надежных систем освещения. В прошлом такое освещение обычно включало в себя натриевые дампы высокого давления. Несмотря на то, что первоначально они использовались для освещения улиц, стоянок и охраняемых участков, натриевые лампы высокого давления часто применялись в возделывании сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях, потому что они обеспечивали большую интенсивность светового потока в спектральном диапазоне от 565 до 700 Нм, который поддерживает фотосинтез. Сегодня же в сфере возделывания сельскохозяйственных культур появляющееся твердотельное освещение предлагает множество преимуществ по сравнению с натриевыми лампами высокого давления, начиная с экономии электричества.

ПРЕИМУЩЕСТВА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ОСВЕЩЕНИЯ И СВЯЗАННЫЕ С НИМ ПРОБЛЕМЫ

Есть и другие преимущества светодиодного освещения. Им легко управлять, как с точки зрения циклов включения и выключения, так и с точки зрения яркости и спектрального диапазона. Более того, такая характеристика светодиодных ламп, как длительный срок эксплуатации (свыше 50 000 часов), ускоряет окупаемость и снижает затраты на техническое обслуживание.

Тем не менее, разработчики систем освещения, стремящиеся воспользоваться преимуществами растущего спроса на продукцию, пригодную для применения при возделывании сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях, должны знать о том, что светодиоды не так уж надежны в условиях электрических помех, как натриевые лампы высокого давления. Опасные условия, которые влияют на возделывание сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях, могут стать результатом таких экологических факторов, как жара и влажность, помимо стандартных помех, которые могут неблагоприятно сказаться на работе любой электрической системы, а именно перебои в подаче электричества и скачки в нагрузке.

В отличие от многих случаев общего применения освещения, системы светодиодного освещения, предназначенные для использования при выращивании растений, обычно должны работать постоянно, чтобы максимизировать ежегодный объем урожая сельскохозяйственных культур. Кроме того, они зачастую эксплуатируются в среде с очень высокой влажностью, в которой электроприборы могут подвергаться воздействию химической, биологической и прочих видов коррозии.

РИС. 1. Изображенная стандартная задающая схема светодиодного светильника включает предохранители переходной и импульсной энергии.

СПОСОБЫ ПРИМЕНЕНИЯ В САДОВОДСТВЕ, ПЛОДОВОДСТВЕ И ВЫРАЩИВАНИИ ЦВЕТОВ

Возделывание сельскохозяйственных культур в закрытых помещениях может включать широкий спектр систем выращивания культур и различных видов объектов и оборудования, начиная от спроектированных под специальные цели вертикальных тепличных хозяйств до восстановленных для повторного использования транспортировочных контейнеров, а также системы выращивания культур, варьирующихся от гидропоники до выращивания растений традиционными методами в грунте в стандартных контейнерах. Светодиодное освещение для возделывания сельскохозяйственных культур учитывает разнообразные конструктивные параметры, в зависимости от вида выращиваемых растений и структуры среды их возделывания. Такие конструктивные параметры включают светодиодные ленты, светодиодные матрицы, лампы для стимулирования цветения или линейные светодиодные лампы (также известные как светодиодные трубки TLED).

Электроприборы для регулирования освещения (для управления временем работы и мощностью) обычно расположены внутри корпуса настенных осветительных приборов. Вся электрическая цепь управления должна быть защищена от переходных процессов - от светодиодов до расположенных выше пассивных и активных компонентов. Обеспечение защиты от переходных процессов для светодиодов и всех активных и пассивных компонентов, расположенных в цепи над ними - одна из самых серьезных проблем в светодиодных светильниках, размещаемых внутри помещений.

Все электрические компоненты, которые подключены непосредственно к источнику переменного тока, могут быть повреждены в результате короткого замыкания и перегрузки, вызванными сбоями в работе компонента и/или цепи внутри светильника. Кроме того, атмосферное перенапряжение или скачки при переключении нагрузки (происходящие вне светильника) могут создавать скачки напряжения или круговые волны, которые могут перегрузить, и в конечном счете повредить компоненты внутри светильника.

БЛОКИ ЦЕПИ СВЕТОДИОДНЫХ СВЕТИЛЬНИКОВ

Для понимания проблемы защиты цепи давайте рассмотрим стандартную задающую схему. На рис. 1 показаны детали задающей схемы, построенной на светодиодах, с разбивкой функциональности на основные блоки цепи, показанные на рисунке, когда точка входа переменного тока находится слева и в конечном счете питает светодиоды, расположенные справа. Двигаясь справа налево, мы видим на рисунке следующее:

Несколько однокристальных светодиодов, электрически замкнутых в последовательность, называются светодиодными лентами. Устройства защиты открытых светодиодов (полимерные светодиоды - PLED) часто используются для предотвращения отключения всей светодиодной ленты в том случае, когда один светодиод не открывается. Несколько лент часто соединены параллельно и питаются от общего источника питания.
Задающая цепь светодиодной ленты с соответствующей схемой контроллера для защиты светодиодных лент, включая последовательно подключенный резистор положительного температурного коэффициента (PTC) для защиты от перегрузки по току (OCP) и параллельно подключенный диод подавления выбросов напряжения (TVS) для защиты от повышения напряжения (OVP).
Контур преобразователя постоянного тока в постоянный, который будет включать параллельный TVS-диод на входе в качестве вторичной защиты от повышения напряжения для компонентов, расположенных в цепи ниже.
Цепь выпрямителя, которая включала бы последовательно включенный высоковольтный предохранитель постоянного тока на выходе для вторичной защиты от перегрузки по току компонентов, расположенных в цепи ниже.
Компоненты фильтра электромагнитных помех.
Контур входа переменного тока, состоящий из последовательно подключенного однофазного предохранителя переменного тока и параллельно подключенного металлооксидного варистора «фаза - нейтраль».

РАБОТА ЦЕПИ

Основное устройство защиты от перегрузки по току для светодиодного светильника размещается на входе переменного тока. При правильном размере и подборе предохранитель переменного тока, последовательно соединенный с линией передачи переменного тока, будет обеспечивать необходимую защиту для всех расположенных ниже по цепи компонентов от скачков, перегрузок и коротких замыканий, за счет безопасного отключения всей цепи от входа линии передачи переменного тока.

Предохранитель играет здесь роль слабого звена в электросхеме, обеспечивая защиту за счет надежного и предсказуемого плавления, когда происходит короткое замыкание или возникают другого рода перегрузки по току. Предохранитель переменного тока с достаточной скоростью плавления I²t нужен для прохождения применяемого испытания на устойчивость системы к скачкам напряжения, описанным в таких стандартах, как текст кольцевой волны стандарта Energy Star или IEEE C.62.41. Номинальный рейтинг плавления I²t, который выражается в квадрате ампер-секунд (A²с), указывает на объем энергии, необходимый для плавления предохранительного элемента.

Зачастую выбор предохранителя на основании номинального рейтинга плавления I²t целесообразен в тех случаях, когда предохранитель должен выдерживать множественные импульсы тока большой силы на протяжении коротких отрезков времени. Предохранители разных конструкций могут по-разному реагировать на импульс напряжения, даже если их номинальный рейтинг плавления I²t превышает номинальный рейтинг энергии формы волны. Например, импульсы при выбросе тока создают циклическое температурное воздействие, которое может привести к механической усталости предохранителя и сокращению срока его службы.

РИС. 2. Energy Star определяет форму волны для испытания на устойчивость к напряжению при переходном процессе следующим образом: круговая волна со временем возбуждения 0,5-мкс × продолжительность 10-мкс (100-кГц).

ВЫБОР ПРЕДОХРАНИТЕЛЯ

Разработчики систем светодиодного освещения для садоводства должны учитывать ряд следующих важных вопросов для выбора правильного предохранителя входного переменного тока:

Первый шаг заключается в том, чтобы найти ответы на ряд технических вопросов, связанных с применением. К этим вопросам относятся нормальный рабочий ток светильника; напряжение прибора; температура окружающей среды; величина тока перегрузки и продолжительность отрезка времени, в течение которого предохранитель должен открыться; максимальный допустимый ток повреждения; а также импульсы, ток перегрузки, пусковой ток, переходные процессы в цепи и т.д.
Крайне важно на самом раннем этапе проектирования понимать, в каком регионе будет использоваться светильник. В зависимости от того, будет ли светильник использоваться в США, в других странах Северной Америки, в Европе, Азии или в другом регионе, будут применяться различные стандарты в отношении требований к проектированию и испытанию. Рекомендации относительно сертификатов безопасности и разрешений на эксплуатацию в различных географических регионах указаны в разделе настоящей статьи, посвященном стандартам испытаний.
Светодиодные светильники характеризуются жесткими ограничениями в отношении пространства. Определите ограничения размера, которые могут повлиять на возможность использования предохранителя. Предохранители могут упаковываться различными способами, но поверхностный монтаж является наиболее распространенным конструктивным параметром приборов светодиодного освещения. К частью для схемотехников, теперь для защиты входа переменного тока могут использоваться предохранители меньшего размера - некоторые вдвое меньше наименьших из ранее доступных предохранителей.
Учитывайте температуру окружающей среды, при которой будет работать предохранитель. Если температура окружающей среды составляет около 25°C, как правило, рекомендуется, чтобы предохранители работали при 75% от их номинального тока для предохранителей по стандарту UL и при 100% от их номинального тока для предохранителей по стандарту IEC. В основном, предохранители являются устройствами, чувствительными к температуре - так что даже небольшие перепады температуры могут существенно повлиять на расчетный срок службы предохранителя при испытании нагрузки до номинального значения - которое, как правило, выражается в виде 100% номинального тока плавкого предохранителя. Для предохранителей, работающих в условиях повышенной температуры окружающей среды, может потребоваться снижение значения максимального рабочего тока плавкого предохранителя. Для этого производители предохранителей указывают кривые снижения номинальных значений для обеспечения работоспособности при повышенных температурах.
Определите необходимый уровень отключающей способности для устройства. Зачастую такой уровень называется током отключения или расчетной мощностью короткого замыкания. Он определяется в виде максимального тока, который может быть безопасно прерван предохранителем при номинальном напряжении. При наступлении условия отказа или режима короткого замыкания предохранитель может подвергнуться действию мгновенного тока перегрузки, во много раз превышающего его нормальный рабочий ток. Безопасная эксплуатация предусматривает отсутствие повреждений предохранителя (отсутствие взрыва или разрыва корпуса) и наличие чистой цепи.
Убедитесь в наличии достаточного времени для проведения тщательного испытания условий окружающей среды, испытания устройства и проверки до начала производства. Это обеспечит безопасную работу светодиодной системы в реальных условиях эксплуатации.

СТРАТЕГИИ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Главным устройством защиты светодиодного светильника от перегрузки по напряжению является металлооксидный варистор, расположенный на входной цепи переменного тока. Он фиксирует кратковременные импульсы напряжения, и в случае правильного выбора с учетом всех параметров конструкции помогает защитить расположенные ниже в контуре компоненты от повреждения электрическим перенапряжением, вызванным воздействием круговой волны и индуцированных переходных процессов. Металлооксидные варисторы являются наиболее эффективным и экономичным способом минимизации энергии переходного процесса, которая в ином случае могла бы оказать воздействие на компоненты, расположенные в контуре ниже. Для того, чтобы правильно выбрать металлооксидный варистор, необходимо учитывать ряд электрических параметров, включая класс напряжения, максимальный импульсный ток, класс энергии, размер диска и конфигурацию.

Металлооксидный варистор необходимо выбирать с учетом следующих важных параметров:

Обратное напряжение - Пожалуй, это самый важный параметр. Обратное напряжение TVS-диода должно быть не меньше максимального рабочего напряжения цепи (или отдельной части цепи), которая должна быть защищена TVS-диодом. Это требуется для того, чтобы TVS-диод не ограничивал управляющее напряжение цепи.
Пиковый импульсный ток - это максимальный ток, который TVS-диод может выдержать без повреждения. Как правило, он указывается в спецификации со ссылкой на форму экспоненциальной волны (например, 10×1000 мкс). Для определения необходимого значения пикового импульсного тока необходимо разделить пиковое напряжение на полное сопротивление источника питании
Максимальное напряжение фиксации - это пиковое напряжение, которое возникает в TVS-устройстве, подверженном пиковому импульсному току, на основании указанной формы экспоненциальной волны.
При ведении сельскохозяйственного производства внутри помещений переходные процессы могут быть вызваны выбросами входного переменного тока вследствие молнии, коммутационным перенапряжением, сбоями питания, электростатическими разрядами или воздействием влаги ввиду высокого уровня влажности или орошения. В некоторых случаях компоновка схемы конкретного светодиодного светильника просто не способна выдержать необходимые уровни событий с переходным процессом даже при использовании защиты от перенапряжения на входе переменного тока. В таких случаях добавление второго TVS-диода для защиты от перенапряжения является проверенным решением для фиксации «сквозной» энергии от металлооксидного варистора. В самых крайних случаях предохранитель постоянного тока высокого напряжения (изображен в центре Рис. 1) может использоваться для защиты светодиодного драйвера от перенапряжения звена постоянного тока.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВИДЫ ЗАЩИТЫ

Для обеспечения надежности и устойчивости светодиодных лент и предотвращения термической нестабильности целесообразно добавить полимерные самовосстанавливающиеся устройства с положительным температурным коэффициентом.

Кроме того, полимерный светодиод повышает надежность светодиодной ленты. Если светодиодная лента выходит из строя вследствие выброса тока, все светодиоды, расположенные в контуре ниже, погаснут. Многие разработчики добавляют полимерный светодиод параллельно каждому светодиоду для того, чтобы в случае выхода из строя одного светодиода (светодиоды, как правило, выходят из строя в открытом положении) полимерный светодиод отводил ток от него, и вся остальная лента продолжала работать.

МОЖЕТ ЛИ ВАШЕ СХЕМНОЕ РЕШЕНИЕ СООТВЕТСТВОВАТЬ СТАНДАРТАМ?

Как было указано выше, группы разработчиков обязаны убедиться в том, что их схемное решение может соответствовать стандартам в различных регионах, помимо обеспечения надежности цепи. Различные регулирующие организации многих стран установили ряд стандартов на условия испытаний, в которых содержатся четкие указания для производителей относительно разработки, производства и испытания светодиодных ламп, приспособлений и светильников внутреннего освещения. Вот наиболее важные из них.

UL 8750 (Стандарт безопасности светодиодного оборудования, используемого в осветительной продукции) требует использования защитного устройства, которое будет прерывать или ограничивать поток тока в случае перегрузки, для минимизации риска пожара и поражения током. Для такой сферы применения предохранитель является самой надежной и распространенной технологией защиты от короткого замыкания или перегрузки.

РИС. 3. Стандарт IEC 61000-4-5 определяет форму волны при испытании на устойчивость к выбросам тока: 1,2×50-мкс напряжение разомкнутой цепи и 8х20-мкс ток короткого замыкания.

В США производители ламп обязаны соответствовать спецификациям Energy Star по подавлению напряжений переходных процессов в отношении сменных блоков светодиодных ламп, используемых в жилых помещениях и в определенных коммерческих целях. Например, Версия 1.4 требований программы Energy Star устанавливает необходимость проведения теста переходных процессов кольцевой волны 0,5-мкс 100 кГц (как показано на Рис. 2) для встроенных светодиодных ламп. Прочие требования к проведению испытаний включают испытание 2,5 кВ/83 А, междуфазное напряжение (ANSI/IEEEC.62.41-1991, Класс A [т.е. работа в помещении]), и способность выдержать семь ударов в синфазном режиме и семь ударов в дифференциальном режиме с интервалом в одну минуту между ударами.

В других странах применяется спецификация светодиодного драйвера (электропитания) IEC/EN 61347 и спецификация IEC/EN 62031 для матриц/модулей светодиодов относительно требований безопасности этих источников питания.

IEC 61000-4-5 применяется во многих странах. Это стандарт импульсов перенапряжения, часто используемый для блоков светодиодного освещения. Кроме того, в разделе IEC 61547 «Оборудование для общего освещения» содержатся требования к испытаниям на помехоустойчивость. На рис. 3 показаны две формы волны, которые определяют время отдыха и продолжительность тестового напряжения и тока.

Применяются и дополнительные требования к проведению испытаний:

Для ламп со встроенным балластом и светильников до 25Вт, 500В/250А: Междуфазное напряжение 500В с полным сопротивлением источника питания 2Ω и фазным напряжением 1 кВ с сопротивлением 12Ω.
Для светильников от 25Вт, 1,000В/500А: Междуфазное напряжение 1 кВ с полным сопротивлением источника питания 12Ω и фазным напряжением 2 кВ с сопротивлением 12Ω
Десять ударов, 5+ и 5- в фазовых углах 90°/ 270°, интервал между ударами - одна минута.

ВЫВОД

Непрерывный рост рынка сельскохозяйственного производства внутри помещений приводит к необходимости самостоятельного обучения проектировщиков освещения способам защиты светодиодов, которые станут важной составляющей этой отрасли. Производители устройств защиты цепи являются превосходным источником информации о доступных предохранителях, металлооксидных варисторах и TVS-диодах, а также о способах их применения