Zakłócenia i przepięcia w instalacjach LED

Dlaczego zakłócenia w przypadku oświetlenia LED mają tak duże znaczenie?

Diody LED bardzo mocno różnią się od tradycyjnych żarówek czy świetlówek. I to nie tylko budową ale także działaniem. W odróżnieniu od tradycyjnych źródeł światła dioda LED jest elementem elektronicznym i do tego półprzewodnikowym. To powoduje, że zachowuje się zupełnie inaczej i wymaga całkiem innego podejścia aby poprawnie działała. Bardzo istotne jest to, że dioda LED jest mniej więcej milion razy szybsza od żarówki! Ta cecha powoduje, że dioda od razu reaguje na każde, nawet krótkie przepięcie, jakiego żarówka nawet by nie zauważyła. Dodatkowo diody LED nie są elementami liniowymi jak żarówki. To oznacza że prąd płynący przez diodę nie zmienia się proporcjonalnie do napięcia zasilającego. Zatem nawet niewielkie zmiany napięcia powodują ogromne zmiany prądu, co w konsekwencji powoduje, że nawet niewielkie przepięcie (zakłócenie) może spowodować nieodwracalne uszkodzenie diody, gdyż popłynie przez nią prąd nawet kilkadziesiąt razy większy niż nominalny.

Z tych powodów zakłócenia w urządzeniach oraz instalacjach oświetlenia LED to bardzo ważny temat. Niestety zdecydowanie zbyt często pomijany nawet przez specjalistów. Jednak aby poprawnie wykonać profesjonalną instalację LED, która bezawaryjnie będzie służyła przez wiele lat, nie zakłócając przy tym innych urządzeń ani obwodów oraz komunikacji radiowej, należy posiadać przynajmniej podstawową wiedzę o zakłóceniach. Postaram się ją przekazać poniżej:

Zakłócenia, co to jest i jak powstają?

Książkowa definicja zakłócenia jest bardzo lakoniczna i ogólna. To po prostu zjawisko elektromagnetyczne zdolne wywołać niepoprawną pracę urządzenia lub systemu. Definicja ta jest tak ogólna dlatego, że zakłócenia mogą przyjmować wiele form i postaci. Dla celów tego artykułu można jednak przyjąć, że zakłócenia to głównie krótkie i niepożądane impulsy elektryczne lub elektromagnetyczne, które destabilizują parametry zasilania obwodów LED. Głównym skutkiem tego typu zakłóceń jest pojawianie się przepięć, czyli krótkich impulsów prądu o napięciu znacznie przekraczającym napięcie zasilania. O tym jednak nieco dalej. Na razie aby to jakoś uporządkować podzielmy zakłócenia w zależności od sposobu w jaki są one przenoszone:

• radiowe – to zakłócenia przenoszone w powietrzu, próżni lub dowolnym innym dielektrycznym ośrodku
• przewodzone – to zakłócenia przenoszone w materiałach przewodzących prąd elektryczny, czyli w przewodnikach

Zakłócenia radiowe

są więc niczym innym jak promieniowaniem elektromagnetycznym, które „lata” sobie w przestrzeni i trafiając na przewód lub inny przewodnik powoduje indukowanie w nim napięcia. A skąd takie promieniowanie się bierze? Dla celów tego artykułu możemy założyć, że istnieją 3 sposoby powstawania zakłóceń radiowych:

• Stacjonarne i przenośne nadajniki radiowe

Zarówno stacjonarne nadajniki wysokiej mocy (radio, TV, telefonia komórkowa, komunikacja, itp.), jak i przenośne nadajniki niskiej mocy (radiotelefony, telefony komórkowe, komputery, tablety, urządzenia bezprzewodowe, itp.), używane w pobliżu systemów lub urządzeń elektrycznych, prowadzą do powstania niekontrolowanego indukowania się w nich napięć, które narażają wrażliwe układy elektroniczne (takimi mogą być diody LED) na uszkodzenia.

• Przewody zasilające wysokiego napięcia

W bezpośrednim otoczeniu tych przewodów może dochodzić do powstawania silnych pól magnetycznych, powodujących powstawanie zakłóceń w innych urządzeniach elektrycznych i elektronicznych, a także w przewodach.

• Pośrednie i bezpośrednie oddziaływanie wyładowań atmosferycznych

Uderzenia piorunów w stacje przekaźnikowe wysokiego napięcia lub przewody powodują powstawanie silnych pól elektromagnetycznych, które mogą doprowadzać do indukowania się dużych prądów w sieciach energetycznych. Z powodu rozległości okablowania może dochodzić również do uszkodzeń w sieciach telekomunikacyjnych. Wyładowania atmosferyczne wytwarzające zmienne pola magnetyczne o dużym natężeniu mogą także powodować indukowanie się zakłóceń w przewodach, instalacjach oraz urządzeniach. Nieprawidłowo wykonane instalacje (pętle masowe, indykcyjne lub okablowanie tworzące „anteny” szerokopasmowe) zdecydowanie wzmagają ryzyko indukowania się zakłóceń tego typu.

Zakłócenia przewodzone

powstają na skutek znacznie większej ilości czynników i zazwyczaj ich wpływ na urządzenia oraz instalacje jest zdecydowanie większy i bardziej drastyczny niż zakłóceń radiowych. Oto najważniejsze z czynników generujących zakłócenia przewodzone:

• Szybkie elektryczne impulsy prądu (zaburzenia typu Burst)

Brzmi poważnie i skomplikowanie ale tak na prawdę to po prostu zakłócenia powstające na skutek szybkich zmian napięcia i natężenia prądu w danym obwodzie. Czyli najczęściej chodzi o włączanie i wyłączanie urządzeń, a także przełączanie rożnych obciążeń. Sprzyjają im przełączniki mechaniczne, w których często pojawia się iskrzenie pomiędzy stykami. Niestety tego typu zakłócenia powoduje również modulacja PWM stosowana powszechnie do sterowania jasności diod LED, która polega właśnie na bardzo szybkim włączaniu i wyłączaniu zasilania.

• Wyładowania atmosferyczne (uderzenia piorunów)

Uderzenia piorunów w instalacje zasilające wysokiego napięcia doprowadzają do powstawania zakłóceń w systemach zasilania niskiego napięcia. Wskutek sprzężenia, zakłócenia te mogą przedostawać się do magistrali przenoszących dane, połączeń peryferyjnych i innych instalacji kablowych wykorzystywanych w przemyśle. W zapobieganiu tego rodzaju zakłóceniom pomagają zabezpieczenia sieci energetycznych (ochrona typu 1 lub A) ale dodatkowo warto stosować w budynkach dodatkową ochronę przeciwprzepięciową typu B, C oraz D.

• Utrata, zmiany oraz zapady napięcia

Wskutek błędów w budowie sieci zasilającej bądź samej instalacji, lub z powodu nagłych, dużych zmian obciążenia może dojść do powstawania krótkotrwałych spadków bądź zaników napięcia. W niektórych przypadkach może dochodzić do powstawania kilku następujących po sobie zakłóceń. Zmiany napięcia wywoływane są przez podłączone do systemu zasilającego odbiorniki o ciągle zmieniającym się oporze. Dodatkowo niektóre urządzenia elektryczne podczas pracy powodują pulsowanie napięcia w sieci. Rezultatem jest pogorszenie się jakości zasilania i wzrost poziomu zakłóceń.

• Indukowanie prądów przez zakłócenia radiowe

Jak już wspominałem wyżej, zakłócenia radiowe powodują indukowanie się prądów i napięć w przewodnikach. Najczęściej są to przewody pomiędzy podzespołami urządzenia elektrycznego lub elektronicznego czy też przewody łączące urządzenia. Zakłócenia te w systemach oświetlenia LED zazwyczaj nie są w stanie wywołać niebezpiecznych dla diod przepięć ale mogą wpływać negatywnie na przewody sygnałowe (audio, TV, dane, itp.).

• Emisja prądów harmonicznych

Urządzenia zasilane napięciem przemiennym zazwyczaj wprowadzają pewne zniekształcenia do jego przebiegu sinusoidalnego. Wszelkie zasilacze elektroniczne, silniki oraz urządzenia o nierezystancyjnej charakterystyce obciążenia (posiadające pojemność lub indukcyjność) wprowadzają tego typu zakłócenia harmoniczne. Polegają one na odkształcaniu podstawowego przebiegu sinusoidalnego przebiegami o wyższych częstotliwościach harmonicznych. Może to prowadzić do zakłócania pracy innych urządzeń.

• Wyładowania elektrostatyczne

Wyładowanie elektrostatyczne (popularnie elektryzowanie się) występuje wtedy, gdy natężenie pola elektrycznego pomiędzy dwoma obiektami przekroczy wytrzymałość elektryczną powietrza pomiędzy nimi. Wyładowania elektrostatyczne powodują szereg zjawisk, które mogą prowadzić do zakłócenia funkcji urządzenia lub w niektórych przypadkach nawet do powstawania uszkodzeń. Diody LED są bardzo wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne! Na ten temat powstał nawet zupełnie odrębny artykuł techniczny opisujący ten problem.

Wpływ zakłóceń na urządzenia i obwody

Z powyższych przykładów (a nie zostały wymienione wszystkie rodzaje) wyraźnie widać, że problem zakłóceń jest poważny. W dzisiejszym świecie liczba otaczających nas urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych rośnie lawinowo. To powoduje również drastyczny wzrost zakłóceń. Gdyby ich w żaden sposób nie kontrolować to praktycznie niemożliwe stałoby się używanie jakiejkolwiek elektroniki, ponieważ żadne urządzenie nie pracowałoby prawidłowo zakłócane przez inne. Dlatego też powstał termin kompatybilności elektromagnetycznej, w skrócie EMC (od angielskiego: Electro Magnetic Compatibility), który oznacza zdolność danego urządzenia elektrycznego lub elektronicznego do poprawnej pracy w określonym środowisku elektromagnetycznym i nie emitowanie zaburzeń pola elektromagnetycznego zakłócającego poprawną pracę innych urządzeń pracujących w tym środowisku. Naukowcy z całego świata opracowali normy oraz dyrektywy określające wymagania dotyczące urządzeń w zakresie EMC. W Polsce, podobnie jak w całej Europie obowiązuje dyrektywa EMC 2004/108/WE, której spełnienie jest obowiązkowe dla większości urządzeń elektrycznych oraz elektronicznych.

Niezależnie od regulacji prawnych, w instalacjach oświetlenia LED najbardziej powinny interesować nas dwa aspekty, czyli minimalizacja zakłóceń powodujących przepięcia, gdyż te uszkadzają diody LED oraz sterowniki LED, a także zakłócają inne obwody czy instalacje. Drugi aspekt to minimalizacja generowanych zakłóceń radiowych, które na same diody może dużego wpływu nie mają ale potrafią skutecznie zakłócać komunikację radiową oraz inne czułe urządzenia (na przykład sprzęt audio/video). Mogą też nas drogo kosztować jeśli zainteresuje się nimi UKE (Urząd Komunikacji Elektronicznej) na przykład po zgłoszeniu sąsiada lub klienta.

Dlaczego zakłócenia/przepięcia są tak groźne dla diod LED?

Tradycyjne źródła światła nie są zbyt wrażliwe na przepięcia i bardzo trudno je w ten sposób uszkodzić. Nie trzeba więc aż tak dużej uwagi przykładać do problemu zakłóceń. Niestety z diodami LED jest już całkiem inaczej. Ze względu na swoją budowę i zasadę działania są one bardzo wrażliwe nawet na stosunkowo niewielkie przepięcia, czyli krótkie impulsy napięcia wyższego niż zasilające. Dzieje się tak dlatego, że dioda LED jest bardzo szybkim elementem elektronicznym, który zaświeca się nawet milion razy szybciej niż żarówka! Jest to duża zaleta oświetlenia LED ale pociąga za sobą również negatywne konsekwencje. Tak duża szybkość działania powoduje, że dioda LED praktycznie nie posiada bezwładności i reaguje od razu na każde, nawet bardzo krótkie zwiększenie napięcia.

Dodatkowo charakterystyka zależności prądu płynącego przez diodę od jej napięcia zasilania jest silnie nieliniowa (patrz rys. poniżej). To powoduje, że każde, nawet małe, przekroczenie nominalnej wartości napięcia powoduje gigantyczny wzrost prądu płynącego przez diodę. Zbyt duży prąd powoduje większe lub mniejsze mikrouszkodzenia delikatnej struktury półprzewodnikowej diody LED, co prowadzi do drastycznego skrócenia żywotności lub nawet natychmiastowego uszkodzenia diody.

Zakłóceń nie widać!

Większość typowych impulsów przepięć występujących w instalacjach elektrycznych trwa od kilku do kilkudziesięciu mikrosekund, czyli zaledwie milionowych części sekundy! Tak krótkiego przepięcia nie zmierzymy miernikiem ani nawet przeciętnym oscyloskopem, którego dokładność to zaledwie milisekundy. Dlatego nie jesteśmy w stanie stwierdzić występowania przepięć bez specjalistycznego sprzętu pomiarowego. Może dlatego tak często pomija się ten temat w myśl zasady, że jeśli czegoś nie widać to nie istnieje. Niestety zakłócenia i przepięcia jak najbardziej istnieją i potrafią bardzo negatywnie wpływać na diody LED.

Wracając do tematu: żarówka potrzebuje do zaświecenia się na 100% jasności około 250 milisekund (czyli ćwierć sekundy), więc tak krótkie przepięcie rozproszy się niezauważalnie na żarniku. Ten nie zdąży się nawet mocniej rozgrzać. Typowa dioda LED zapala się w czasie mniej więcej jednej mikrosekundy zatem szybciej niż trwa przeciętny impuls przepięcia. W efekcie dioda nie uśredni impulsu tak jak żarówka i na skutek skoku napięcia zasilania popłynie przez nią od razu prąd znacznie większy niż dopuszczalny, uszkadzając jej strukturę. Od wysokości napięcia impulsu zakłócającego zależy jak duży będzie prąd płynący przez diodę i jak duże powstaną uszkodzenia. Im wyższa temperatura diody, tym uszkodzenia będą większe, ponieważ wraz ze wzrostem temperatury rośnie prąd płynący przez diodę.

Parametry impulsów zakłóceń

Poniżej pokazano dwa typowe impulsy przepięciowe występujące w instalacjach oświetlenia LED:

Jak widać tego typu impulsy przepięciowe nie są pojedynczymi skokami napięcia tylko stanowią zazwyczaj całą serię skoków o stopniowo malejącym napięciu. Nazywa się to falą tłumioną, którą można scharakteryzować podając czas narastania, czas opadania oraz napięcie głównego impulsu.  Im większy impuls główny oraz im dłuższy czas opadania impulsów wtórnych, tym większa sumaryczna energia niesiona przez takie przepięcie. Na powyższej ilustracji po lewej stronie widzimy przepięcie o bardzo krótkim czasie narastania (~0.2 us) oraz stosunkowo krótkim czasie opadania (~6 us, zaledwie kilka impulsów wtórnych). Tego typu impuls nie niesie dużej energii, więc jest mniej groźny dla diod i urządzeń, mimo ponad dwukrotnego przekroczenia napięcia zasilania. Po prawej stronie mamy jednak przepięcie, którego czas wygaszania jest zdecydowanie dłuższy (~400 us), zatem jego energie jest również dużo większa. Takie przepięcie może już sporo narozrabiać. Zbyt małe przekroje przewodów oraz ich spore długości na skutek indukcyjności oraz spadków napięć mocno wydłużają czas wygaszania przepięć, dlatego trzeba ich za wszelką cenę unikać.

Jeśli teraz weźmiemy pod uwagę, że modulacja PWM stosowana do regulacji jasności diod LED polega tak na prawdę na szybkim włączaniu i wyłączaniu zasilania, co powoduje generowanie zakłóceń przy każdym przełączeniu to okaże się, że w każdej sekundzie pracy dioda LED zostanie narażona na kilkaset takich impulsów przepięciowych, gdyż typowa częstotliwość modulacji PWM to kilkaset Hertzów! Coś takiego potrafi „załatwić” każdą diodę w dosyć krótkim czasie.

Im większy prąd płynący w obwodzie i większa długość przewodów zasilających, tym wysokość napięcia impulsów przepięciowych większa, dłuższe czasy wygaszania i w efekcie większe uszkodzenia diod! Jeśli do tego ktoś źle dobrał przekrój przewodów zasilających i pojawiają się na nich spadki napięć, to energia generowanych przepięć wzrośnie lawinowo i diody mogą nie przeżyć nawet kilku dni!

Jak unikać zakłóceń w obwodach LED?

Przede wszystkim przy technologii LED jest bardzo ważne stosowanie wysokiej jakości zasilaczy i urządzeń sterujących, które posiadają jak najwięcej filtrów i obwodów pomagających likwidować zakłócenia. Jednak nawet najlepsze urządzenia nie pomogą, jeśli sama instalacja będzie niepoprawnie wykonana (zbyt małe przekroje przewodów, zbyt długie połączenia, za duże prądy, pętle masowe lub indukcyjne, niewłaściwa topologia połączeń, itp.). Dlatego w przypadku technologii LED jest bardzo ważne aby projekt oraz wykonanie instalacji oświetlenia zlecić specjaliście, który zadba o wszystkie detale mające wpływ na zakłócenia. Podchodzenie do instalacji LED jak do tradycyjnego oświetlenia jest dużym błędem i zazwyczaj skutkuje kosztownymi usterkami, niską jakością światła (migotanie męczące wzrok) oraz drastycznym zmniejszeniem żywotności.

Aby pokazać jak ważna jest jakość urządzeń sterujących w instalacjach oświetlenia LED, przeprowadziliśmy test na dużej instalacji oświetlenia posiadającej spore odległości między taśmami LED. Do zamontowanych tam taśm LED podłączyliśmy szybki oscyloskop cyfrowy i zarejestrowaliśmy przebieg napięcia zasilającego. Do testu wykorzystaliśmy najpierw zamontowane tam oryginalnie nasze wzmacniacze LED EPM-153, które posiadają mocne filtry przeciwzakłóceniowe oraz spełniają wszystkie wymagania dyrektywy EMC. Przebieg napięcia z tej konfiguracji jest przedstawiony poniżej po lewej stronie. Jak widać jest on idealny i nie występują praktycznie żadne przepięcia. Następnie zamieniliśmy EPM-153 na popularne (i znacznie tańsze) wzmacniacze LED dalekowschodniej produkcji o rzekomo podobnych parametrach technicznych. Urządzenie mimo naniesionego oznakowania CE nie posiadało żadnych filtrów EMC ani układów pomagających eliminować zakłócenia. Co więcej przekrój ścieżek na płytce ściemniacza nie był dostosowany do deklarowanych przez producenta prądów pracy. Efekt widać na przebiegu po prawej stronie: gigantyczne przepięcia o wartości nawet 126 V!!! Tego typu przepięcia potrafią całkowicie zniszczyć strukturę półprzewodnikową diody LED zaledwie w kilka dni!

Dodatkowa ochrona przed zakłóceniami

Jako dodatkową ochronę przed zakłóceniami warto stosować specjalny filtr FPP produkcji Enterius, który dzięki odpowiednio dobranym, selekcjonowanym elementom elektronicznym zapewnia bardzo skuteczne tłumienie lub nawet całkowitą eliminację zakłóceń w obwodach oświetlenia LED. Filtr ten nie zastąpi oczywiście dobrego sterownika ale nawet w przypadku zastosowania sterowników lub ściemniaczy o niskiej jakości potrafi znacznie poprawić sytuację i przedłużyć żywotność diod LED. W większości przypadków FPP potrafi również wyeliminować problemy z zakłóceniami radiowymi emitowanymi przez instalacje LED.  Warto jednak pamiętać, że filtr FPP jest rozwiązaniem awaryjnym i nie jest w stanie zastąpić czy całkowicie wyeliminować problemów w źle wykonanej instalacji wykorzystującej urządzenia niskiej jakości.

Krzysztof Ratyński