Jaki ściemniacz do taśm, żarówek lub opraw LED?

Jak dobrać ściemniacz do oświetlenia LED?

To bardzo częste pytanie, na które jednak wcale nie tak łatwo odpowiedzieć. Regulacja jasności diod LED nie jest bowiem taka prosta, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka. Wpływa na to sama budowa diody LED oraz bardzo wiele innych czynników, o których zazwyczaj wiedzą tylko specjaliści. Z tego powodu użytkownikom, którzy nie są specjalistami w dziedzinie LED trudno jest dobrać odpowiedni ściemniacz. Tym bardziej, że krąży wiele mitów i nieprawdziwych teorii na temat ściemniania LED. Dlatego, aby je wyeliminować, postaramy się tutaj wszystko wyjaśnić w możliwie łatwy sposób.

Dlaczego ściemnianie LED nie jest takie łatwe?

Przede wszystkim dlatego, że w przeciwieństwie do żarówek i świetlówek dioda LED jest elementem elektronicznym. I jako taki musi być zasilana zawsze niskim i stałym napięciem w zakresie od 2 do 4 V (w zależności od koloru świecenia). Od tej zasady nie ma wyjątków i nie istnieją chipy LED zasilane wyższym napięciem. Są wprawdzie moduły LED lub specjalne diody LED COB, w których wiele chipów połączonych jest fabrycznie w sposób szeregowy w celu podniesienia napięcia zasilania. Takie konstrukcje mogą mieć nieco wyższe napięcie zasilania ale wciąż musi być ono stałe i stabilizowane. Natomiast pojedynczy chip LED zawsze wymaga od 2 do 4 VDC do poprawnej pracy. Co więcej, diody LED posiadają mocno nieliniową charakterystykę zależności prądu płynącego przez diodę LED od napięcia zasilania. Oznacza to, że bardzo niewielka zmiana napięcia zasilania powoduje duże zmiany prądu płynącego przez diodę i tym samym jej jasności. Zatem nawet stabilizowane napięcie zasilania nie zawsze gwarantuje, że prąd diody nie przekroczy dopuszczalnej wartości. Z tego powodu znacznie bardziej istotne jest precyzyjne kontrolowanie i ograniczanie prądu płynącego przez diodę, a nie napięcia. Jednak sterowanie prądem zamiast napięciem jest dużo trudniejsze od strony technicznej. To wszystko powoduje, że instalacje oświetlenia LED są znacznie bardziej skomplikowane niż tradycyjne i trzeba dysponować sporą wiedzą aby wykonać je poprawnie.

Ściemnianie LED na 230 V

Zwykła żarówka może być zasilana bezpośrednio z napięcia przemiennego o wartości 230 V i w niczym jej to nie przeszkadza. Dioda nie. Dioda LED (lub ich zespół) wymaga stałego napięcia zasilania o niskiej wartości, zatem aby zasilić ją z sieci 230 VAC trzeba zawsze zastosować zasilacz, który dopasuje warunki zasilania. Co więcej aby zachować parametry diod LED oraz ich żywotność to zasilacz ten musi być wysokiej jakości i posiadać wbudowane zabezpieczenia przeciwprzepięciowe oraz dobrą stabilizację napięcia lub jeszcze lepiej – prądu.

Stabilizacja oznacza, że zasilacz będzie dążył do utrzymania stałych, idealnych warunków na wyjściu bez względu na to, co się będzie działo na jego wejściu. Zatem jeśli na wejściu zasilacza (lub oprawy LED z wbudowanym zasilaczem) podłączymy tradycyjny ściemniacz to nie będzie on działał. Ściemniacz będzie próbował obniżyć napięcie dostarczane do zasilacza aby zmniejszyć jasność ale zasilacz odbierze to jako zakłócenie i na wyjściu dalej będzie utrzymywał nominalne warunki. Natomiast jeśli ściemniacz obniży napięcie poniżej pewnego progu to zasilacz LED po prostu całkiem się wyłączy. Ewentualnie zacznie cyklicznie włączać się i wyłączać. Dlatego w większości przypadków tradycyjne ściemniacze fazowe nie zadziałają z oświetleniem LED.

Pojawiają się wprawdzie na rynku oprawy LED lub zamienniki LED żarówek tradycyjnych (niesłusznie zwane „żarówkami” LED, gdyż nic się w nich nie żarzy) które według producentów współpracują z tradycyjnymi ściemniaczami na 230 VAC. Jednak mają one wiele ograniczeń (tylko wybrane modele ściemniaczy, regulacja w niepełnym zakresie, określona minimalna moc obciążenia – czyli konieczność stosowania co najmniej kilku takich opraw, itd.). Często też ich działanie pozostawia wiele do życzenia ze względu na generowane odgłosy akustyczne lub zauważalne migotanie spowodowane brakiem synchronizacji. Wszystko dlatego, że ściemnianie fazowe idealne dla tradycyjnych żarówek nie nadaje się do techniki LED i aby te dwie rzeczy połączyć trzeba pójść na kompromis.

Dodatkowo zasilacze wbudowane w niewielkie oprawy LED zazwyczaj z braku miejsca są pozbawiane wielu ważnych elementów, które poprawiają jakość i stabilność zasilania. Stąd wszelkie oprawy lub zamienniki LED zasilane bezpośrednio z 230 V posiadają zawsze znacznie niższą żywotność i są dużo bardziej awaryjne. Jeśli jeszcze taka oprawa ma być ściemniana z 230 V to zasilacz jest jeszcze gorszej jakości, bo trzeba zostawić trochę miejsca na układ ściemniający.

Dlatego aby uzyskać dobre wyniki to regulację jasności oświetlenia LED powinno się zawsze realizować po stronie niskiego napięcia z zastosowaniem zewnętrznego zasilacza o wysokiej jakości. To jednak wymusza inne projektowanie oświetlenia oraz przede wszystkim inną topologię instalacji elektrycznej.  Zatem trzeba o tym pomyśleć przed remontem lub budową. Potem już jest za późno, ponieważ na tradycyjnie wykonanej instalacji elektrycznej nie da się zrealizować ściemniania po niskim napięciu (niskim w rozumieniu elektronicznym, czyli poniżej 75 V, bo dla elektryka niskie napięcie to wszystko poniżej 1kV!).

Ściemnianie LED od strony niskiego napięcia,

czyli po stronie wtórnej (wyjściowej) zasilacza, jest najlepszym sposobem na regulację jasności oświetlenia LED, choć wymaga nieco innego podejścia. Wymaga także innego okablowania. Nie oznacza to jednak, że zawsze jest możliwe. Na szczęście prawie wyłącznie nie da się w ten sposób ściemniać niektórych zamienników LED tradycyjnych żarówek halogenowych. Dzieje się tak dlatego, że takie „żarówki” LED muszą być dopasowane do zasilania dla halogenów, czyli do 12 V napięcia przemiennego. Zatem takie zamienniki LED żarówek muszą mieć wbudowaną elektronikę, która nie tylko wyprostuje napięcie zasilania ale jeszcze je odfiltruje, ustabilizuje i odpowiednio obniży aby nadawało się do zasilenia diod LED. W praktyce jest to zatem nieco podobny zasilacz jak w produktach LED zasilanych z 230 V, który na szczęście musi obniżyć napięcie tylko odrobinę, a nie aż z 230 V. Zatem i mniej się grzeje i mniej miejsca wymaga. Dlatego trwałość takich „żarówek” LED jest zazwyczaj znacznie większa niż tych, zasilanych z 230 VAC ale problemy ze ściemnianiem podobne. Niestety każdy zamiennik LED tradycyjnego oświetlenia będzie zawsze gorszy od solidnej oprawy LED czy całego oświetlenia LED zaprojektowanego od nowa z uwzględnieniem wymagań oraz zalet tej nowoczesnej techniki.

Wniosek z tego jest taki, że technologia LED tak bardzo różni się od tradycyjnego oświetlenia, że używanie jej na zasadzie zamiennika starych rozwiązań jest w wielu wypadkach bezsensowne, nieekonomiczne i nie pozwala na wykorzystanie bardzo wielu zalet. Dlatego zazwyczaj lepiej zmieniając oświetlenie na LED zaprojektować je od zera wraz z odpowiednio poprowadzoną instalacją elektryczną niż na siłę dopasowywać się do starych, istniejących warunków, które są dla LED zwyczajnie nieodpowiednie lub niewystarczające.

Zatem jeśli już mamy lub projektujemy taką całkiem nową instalację oświetlenia LED to jak ją ściemniać i na co zwracać uwagę?

W zależności od użytych źródeł światła LED mamy właściwie dwa rozwiązania, które pokrótce opiszę poniżej:

Ściemnianie Taśm LED

oraz podobnych w budowie opraw LED, które zawierają wiele diod małej mocy połączonych szeregowo z rezystorem dopasowującym prąd diod do odpowiedniego napięcia zasilania jest najłatwiejsze. Będziemy do tego potrzebować zasilacz stało-napięciowy (czyli taki, który posiada na wyjściu stałe, stabilizowane napięcie) oraz ściemniacz LED. Czasami przyda się też wzmacniacz LED, który pozwoli na podłączenie większej ilości taśm LED niż mogą obsłużyć wyjścia ściemniacza. W takiej konfiguracji zasilanie 230 VAC podłączamy na stałe do zasilacza, a wszystkie operacje włączania, wyłączania oraz regulacji jasności LED przeprowadzamy po stronie niskiego napięcia dzięki ściemniaczowi. W zależności od użytego ściemniacza możemy kontrolować światło przyciskami, potencjometrami, pilotem, dotykiem, klawiaturami, panelami, itd. Sposób obsługi zależy już wyłącznie od danego modelu ściemniacza i jego możliwości. Oczywiście czasami pociąga to za sobą konieczność wykonania dodatkowego okablowania (na przykład przewody do przycisków), więc należy wybrać właściwe urządzenie przed wykonaniem instalacji elektrycznej bo potem może już być za późno na zmiany! Niestety w praktyce wciąż często spotykamy się z przykładami instalacji, gdzie najpierw elektryk wykonał instalację jak dla tradycyjnego oświetlenia, a potem właściciel w panice szuka rozwiązania jak zamontować tam oświetlenie LED. Niestety w takiej sytuacji albo trzeba zmieniać okablowanie albo zrezygnować z możliwości regulacji jasności. Czasami też w ogóle trzeba zrezygnować z oświetlenia LED (bo na przykład nie przewidziano miejsca na zasilacz).

W tego typu instalacjach bardzo ważne jest właściwe dobranie przekroju przewodów zasilających oraz odpowiednia topologia okablowania, ponieważ przy źle wykonanej instalacji lub zbyt małych przekrojach pojawią się problemy ze spadkami napięć oraz przepięciami, które będą powodować uszkodzenia diod LED! Dlatego zalecamy zatrudnienie specjalisty (lista polecanych instalatorów oświetlenia LED) lub przynajmniej zapoznanie się z naszym artykułem o poprawnym doborze przekroju przewodów.

Przy okazji warto przestrzec wszystkich przed stosowaniem taśm LED zasilanych bezpośrednio z sieci 230 VAC! Tego typu wynalazki często zachwalane przez sprzedawców są kompletnym nieporozumieniem i nie dość, że zagrażają bezpieczeństwu to jeszcze ich żywotność jest tragicznie niska. Poza tym ze względu na brak zasilacza (znajduje się tam tylko prostownik i czasami kondensator wygładzający) oraz jakichkolwiek filtrów czy zabezpieczeń takie taśmy są wyjątkowo podatne na wszelkie wahania napięcia, przepięcia i zakłócenia z sieci 230 VAC, więc są szalenie awaryjne. Co więcej większość sprzedawców nie uzna gwarancji przy uszkodzeniu na skutek przepięcia, a te w polskich sieciach energetycznych są powszechne! Dodatkowo tańsze taśmy tego typu podczas świecenia migoczą w zauważalny sposób ze względu na jedno-połówkowe prostowanie i brak stabilizacji lub choćby dobrego wygładzenia wyprostowanego napięcia.

Ściemnianie diod Power LED

oraz wszystkich źródeł światła zbudowanych na diodach dużej mocy jest nieco trudniejsze ale również możliwe. Stosuje się do tego celu dwie metody, czyli albo zasilacze prądowe z wejściem regulacji jasności albo zasilacze napięciowe plus drivery prądowe dla LED również z wejściami regulacji jasności. W obu przypadkach potrzebny jest dodatkowy ściemniacz, który będzie wysyłał do zasilacza lub drivera odpowiednią informację o jasności.

Zasilacze prądowe są rozwiązaniem zazwyczaj prostszym od strony instalacji  ale posiadają wiele wad. Przede wszystkim właściwie wszystkie dostępne na rynku zasilacze prądowe z wejściem regulacji jasności wymagają sygnału PWM o dodatniej polaryzacji, czyli takiego, gdzie kluczowanie odbywa się na plusie zasilania. Niestety prawie wszystkie ściemniacze oraz sterowniki LED posiadają wyjścia OC, czyli sterowanie odbywa się na minusie zasilania. Zazwyczaj nie da się więc podłączyć ściemniacza czy sterownika LED bezpośrednio do takiego zasilacza i trzeba stosować dodatkowe układy odwracające polaryzację sygnału PWM. Dodatkowo przy większych instalacjach koszt takiego rozwiązania jest wyższy bo praktycznie do każdej oprawy (lub ich małej grupy ograniczonej maksymalnym napięciem pracy zasilacza) trzeba stosować osobny zasilacz.

Dlatego coraz powszechniejsze staje się korzystanie ze zwykłych zasilaczy napięciowych oraz osobnych driverów LED wyposażonych w wejście regulacji jasności. Driver LED to nic innego jak elektroniczny stabilizator prądu, zwany również źródłem prądowym. Istnieją dwa ogólne rodzaje driverów LED: liniowe oraz impulsowe.

Drivery liniowe zachowują się jak elektroniczny rezystor, który tak zmienia wartość własnej rezystancji aby utrzymywać stałą wartość płynącego przez niego prądu. Są zazwyczaj tanie ale niestety to jedyna ich zaleta. Tego typu drivery posiadają bardzo niską sprawność i mocno grzeją się podczas pracy. Obie te cechy sprawiają, że dla oświetlenia LED, które ma dużą sprawność oraz nie lubi wysokich temperatur, nie jest to najlepsze rozwiązanie.

Zdecydowanie lepsze są drivery LED impulsowe, które są tak na prawdę elektronicznymi przetwornicami napięcia i w taki sposób regulują napięcie na wyjściu aby utrzymać stały prąd. Działają one w sposób impulsowy, czyli kontrola prądu oraz odpowiednie dopasowanie napięcia jest realizowane w zadanych odstępach czasu, a nie cały czas. Jednak przy zachowaniu odpowiednio dużej częstotliwości (zazwyczaj kilkadziesiąt kHz) jest to bardzo wydajna i skuteczna metoda. W zależności od jakości elementów oraz zastosowanego rozwiązania technicznego tego typu drivery mogą osiągać sprawności bliskie 100% (na przykład nasz ED-700 posiada sprawność maksymalną 96%). Oznacza to po pierwsze dużą energooszczędność, a po drugie bardzo małe nagrzewanie się w wyniku strat mocy, czyli rozwiązanie wprost idealne dla technologii LED.

Niestety nie wszystkie drivery LED posiadają dodatkowe wejście służące do regulacji jasności. Często też, jeśli już nawet takie wejście posiadają to pojawia się ten sam problem, co w zasilaczach prądowych, mianowicie inna polaryzacja sygnału sterującego – czyli nie da się podłączyć ściemniacza LED bezpośrednio do takiego drivera. Na szczęście na rynku dostępnych jest coraz więcej urządzeń, które albo współpracują z sygnałem PWM sterowanym minusem albo mają możliwość wyboru polaryzacji sygnału sterującego, jak choćby nasz driver ED-700.

Stosując więc takie drivery impulsowe LED możemy całą instalację zasilać z jednego zasilacza napięciowego o dużej mocy, a poszczególne oprawy lub ich zespoły połączone szeregowo zasilać przez driver LED, który zadba o właściwą wartość prądu i jego stabilizację. Jeśli do tego drivera podłączymy sygnał ze ściemniacza lub sterownika to mamy najdoskonalszą formę systemu oświetlenia LED umożliwiającą pełną kontrolę jasności przy zachowaniu wysokiej sprawności, żywotności, bezawaryjności oraz jakości światła (choć ona zależy też w dużej mierze od zastosowanych diod LED).

Krzysztof Ratyński