Zasilacze led - jakie jest ich zastosowanie?

Opracowanie wydajnych diod LED sprawiło, że wyparcie przez nie innych typów źródeł światła było tylko kwestią czasu. I to bardzo krótkiego czasu – osoby, które zaczynały swoją przygodę z elektroniką 15-20 lat temu (lub wcześniej) doskonale pamiętają zapewne, że pierwsze dostępne w sklepach białe diody LED raczej nie należały do elementów o powtarzalnej barwie świecenia i wysokiej sprawności, zaś ich trwałość także nie napawała optymizmem. Dziś – po zaledwie kilkunastu latach – diody LED stanowią podstawowe źródło światła w architekturze, wystroju wnętrz, motoryzacji, przemyśle i wielu innych dziedzinach techniki. Mało tego – znaczny spadek cen diod LED oraz bazujących na nich taśm, modułów, żarówek itp. sprawił, że przejście z konwencjonalnych żarówek i świetlówek na źródła elektroluminescencyjne stało się dostępne dla wszystkich. Aby zapewnić stabilną i długotrwałą pracę oświetlenia ledowego, konieczne jest jednak zapewnienie odpowiednich warunków zasilania – do tego celu służą specjalne zasilacze LED, którym przyjrzymy się bliżej w tym wpisie.

Zasilanie diod LED – garść uwag praktycznych

Parametry zasilania diod i modułów LED zależą w pierwszej kolejności od rodzaju, mocy i liczby zastosowanych diod. Dostępne na rynku moduły i źródła światła można podzielić na kilka grup. Pierwsza z nich bazuje na szeregowych lub szeregowo-równoległych połączeniach diod (zwykle białych, choć nie musi to być regułą), zaś liczba diod w jednej gałęzi szeregowej determinuje wymaganą wartość napięcia. Najczęściej spotykane są systemy 12-woltowe – takim właśnie napięciem zasilane są wszelkiego rodzaju paski i taśmy LED, rozmaite moduły, a także niektóre lampki i żarówki LED. Rzecz jasna, na rynku dostępne są również tysiące modeli żarówek o zasilaniu sieciowym (230 VAC), wyposażone we wbudowany, prosty zasilacz beztransformatorowy. Specjalnego traktowania wymagają taśmy LED RGB – które, z prostych przyczyn, nie mają żadnych elementów dodatkowych (za wyjątkiem rezystorów ograniczających prąd i dobranych stosownie do zalecanej wartości napięcia znamionowego), konieczne jest zatem wykorzystanie specjalnych sterowników. Te zaś – zależnie od wykonania – mogą być wyposażone we wbudowany zasilacz sieciowy lub tylko w wejście napięcia 12 V (ostatnie z wymienionych wymagają zatem podłączenia osobnego, zewnętrznego zasilacza o odpowiedniej wydajności prądowej). Problematyczne są także moduły LED COB oraz pojedyncze diody LED dużej mocy (0.5 W, 1 W i więcej) – w tych przypadkach konieczne jest stosowanie specjalnych zasilaczy stałoprądowych. Dlaczego? Spieszymy z wyjaśnieniem.

Zasilacze stałonapięciowe vs. stałoprądowe

Jak już wspomnieliśmy, diody LED wyposażone w rezystory ograniczające prąd mogą być z powodzeniem zasilane za pomocą napięcia stałego o odpowiedniej wartości. W przypadku diod o mocy 0.5 W lub większej, zagadnienie to znacznie bardziej się komplikuje i nie chodzi bynajmniej o fakt, że zastosowanie rezystora szeregowego do zasilania diody bądź modułu COB o prądzie rzędu np. 350 mA lub nawet kilku amperów wymagałoby zastosowania rezystora dużej mocy (najlepiej z chłodzeniem aluminiowym) w celu odpowiedniej efektywności rozpraszania ciepła. Owszem – użycie takiego prostego rozwiązania faktycznie nastręczałoby trudności projektowych związanych z mocą strat, jednak największy problem leży zupełnie gdzie indziej – w charakterystykach materiałów półprzewodnikowych, stanowiących podstawowy budulec diod LED. W praktyce okazuje się bowiem, że diody LED mocy – podczas zasilania prądem zbliżonym do znamionowego, np. około 350 mA dla większości kolorowych diod 1-watowych – dość intensywnie się nagrzewają, co raczej nie dziwi z uwagi na niewielkie wymiary struktur świecących przy danym poziomie mocy. Zdawałoby się, że nie ma nic prostszego, jak zastosowanie odpowiedniego radiatora – czy to pasywnego, czy też wspomaganego przez wentylator. I rzeczywiście tak by było, gdyby nie fakt, że wraz z nagrzewaniem się struktury półprzewodnikowej, napięcie przewodzenia diody LED… spada. Przy zasilaniu stałonapięciowym z użyciem szeregowego rezystora oznaczałoby to, że wzrośnie napięcie na rezystorze ograniczającym, to zaś spowoduje dalsze zwiększanie prądu przewodzenia diody… i tak aż do osiągnięcia momentu, w którym jeden z elementów (rezystor lub – gorzej – sama dioda) po prostu „nie wytrzyma” i ulegnie nieodwracalnemu przegrzaniu (spaleniu). Ta „samonakręcająca się spirala” zdarzeń sprawia właśnie, że diody LED dużej mocy i moduły COB (których moc z powodzeniem może przekraczać nawet sto watów!) wymagają zasilania ze stabilizacją wartości prądu, a nie napięcia – tylko w ten sposób można bowiem zapewnić, że diody będą pracowały w bezpiecznych dla nich warunkach, bez ryzyka przegrzania – a to znacząco przedłuży ich żywotność.

Konstrukcja zasilaczy LED i wynikające z niej obszary zastosowań

Oprócz podstawowych wartości napięcia znamionowego i prądu maksymalnego (w przypadku zasilaczy stałonapięciowych) lub – odwrotnie – napięcia maksymalnego i prądu znamionowego (w przypadku wersji stałoprądowych), każdy zasilacz LED ma także określony przez producenta zakres napięcia sieciowego, przy którym może on poprawnie pełnić swoją funkcję. Niektóre modele są przystosowane do pracy tylko z napięciem 230V (lub 110 V), z niewielką tolerancją, inne zaś radzą sobie nawet w zakresie od kilkudziesięciu do 250 V(AC). Dokumentacja techniczna powinna także zawierać informacje dotyczące zakresów temperatur i wilgotności, zarówno podczas przechowywania wyłączonego zasilacza, jak i w czasie jego pracy – poszczególne modele znacząco różnią się pomiędzy sobą pod względem dopuszczalnych warunków środowiskowych. Dostępne zasilacze LED występują zarówno w wersjach półotwartych (obudowy metalowe lub tworzywowe z otworami wentylacyjnymi), jak i hermetycznych, dostosowanych do pracy na zewnątrz budynków lub w pomieszczeniach o dużej wilgotności (kuchnie, łazienki). Teraz natomiast musimy wspomnieć o jeszcze jednej, bardzo ważnej kwestii – dobre zasilacze zawsze posiadają szereg wbudowanych zabezpieczeń elektronicznych, chroniących urządzenie przed skutkami przeciążenia (a nawet zwarcia wyjścia), przegrzania czy też przekroczenia dopuszczalnych wartości napięcia wyjściowego (w przypadku awarii, napięcie dostępne na wyjściu jest „obcinane” do bezpiecznego poziomu) oraz temperatury wewnątrz obudowy zasilacza (przegrzanie powinno spowodować automatyczne wyłączenie zasilacza w celu ochrony przed uszkodzeniem jego układów wewnętrznych, a nawet pożarem instalacji).

Zastosowania zasilaczy LED

Zakres zastosowań danego modelu zasilacza LED zależy od jego konstrukcji mechanicznej, obecności dodatkowych uszczelnień, a także rozmiarów oraz osiągów pod względem mocy wyjściowej. Przykładowo – zasilacze typu slim (w bardzo wąskich, wręcz „ołówkowych” obudowach) są szeroko rozpowszechnione w instalacjach podświetlenia mebli kuchennych i łazienkowych, ze względu na hermetyczną konstrukcję i łatwość montażu w ciasnych, trudno dostępnych przestrzeniach. Zasilacze w obudowach wentylowanych (za pomocą konwekcji swobodnej lub wymuszonej) nadają się do zabudowy wewnątrz instalacji reklamowych (pracujących w pomieszczeniach), szaf sterowniczych, rozdzielnic elektrycznych itp. - ważne jest, by w żadnym wypadku nie były one narażone na zalanie lub zbyt wysoką wilgotność powietrza. W przypadku instalacji podświetlenia schodów, korytarzy czy też halli hotelowych, barów itp., szczelność zasilacza zwykle nie ma większego znaczenia, ale zastosowanie kompaktowych modeli standardowych lub typu slim znacząco ułatwia instalację w sposób niewidoczny dla domowników, gości czy też klientów. Zasilacze stałoprądowe są szeroko stosowane do zasilania modułów COB niewyposażonych we wbudowane układy stabilizacji prądu, co ma miejsce głównie w zastosowaniach typu OEM (np. konstrukcji naświetlaczy LED), zaś modele stałonapięciowe (stanowiące zdecydowaną większość tego rynku) współpracują zarówno z modułami i żarówkami LED (głównie 12 VDC), jak i taśmami LED (bezpośrednio lub za pośrednictwem sterowników PWM, umożliwiających generowanie rozmaitych efektów świetlnych – głównie w przypadku pasków LED RGB).