Οι λαμπτήρες LED στις ηλεκτρικές Εγκαταστάσεις φωτισμού

Ο όρος LED σημαίνει Light Emitting Diode, δηλαδή, σε ελεύθερη απόδοση, δίοδος εκπομπής φωτός. Οι δίοδοι εκπομπής φωτός (LED) είναι πηγές φωτός κατάλληλων ημιαγωγών, που με την εφαρμογή μιας ορισμένης τιμής τάση, έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα που διέρχεται από αυτές σε ορατό φως.

Δηλαδή, τα LED λειτουργούν τελείως διαφορετικά από τους γνωστούς σε όλους μας λαμπτήρες νήματος (πυράκτωσης και αλογόνου), τους λαμπτήρες φθορισμού εκκένωσης και τους λαμπτήρες εκκένωσης.

 

Τα τελευταία χρόνια η τεχνική των LED, εξελίσσεται αλματωδώς, παρέχει μεγάλη αποτελεσματικότητα και εκπομπή φωτός και καλύπτει επαρκώς όλα τα είδη των νέων απαιτήσεων τόσο του γενικού, όσο και του τοπικού φωτισμού, αλλά και του φωτισμού των αυτοκινήτων, καθώς επίσης, και τον αρχιτεκτονικού φωτισμού και του φωτισμού των δρόμων (οδικός φωτισμός). Η ιδανική πρόβλεψη θα ήταν η παντελής αντικατάσταση των υφιστάμενων συμβατικών πηγών φωτισμού  με LED στο κοντινό μέλλον.

Τα LED που χρησιμοποιούνται ως πηγές φωτισμού προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως:

·       το μικρό  και συμπαγές μέγεθος,
·       την υψηλή φωτεινή ένταση,
·       την πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (εξοικονόμηση ενέργειας) με δεδομένο πως απαιτούν 75% λιγότερη ενέργεια,
·       την ασφαλή λειτουργία (συνεχές ρεύμα χαμηλών τιμών τάσης και έντασης)
·       την στιγμιαία έναυσή τους (δεν απαιτείται προθέρμανση)
·       την πλήρη δυνατότητα για dimmable από 0-100%,
·       την οικολογική συμπεριφορά τους (δεν περιλαμβάνουν υδράργυρο και μόλυβδο)
·       την εκπομπή φωτός απαλλαγμένου από IR ή UV ακτινοβολία,
·       τη λειτουργία χωρίς εκπομπή θερμότητας,
·       τη λειτουργία χωρίς εκπομπή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων,
·       τη δυνατότητα επιλογής θερμοκρασίας χρώματος,
·       την καλύτερη τιμή δείκτη χρωματικής απόδοσης (CRI),
·       τη δυνατότητα κατευθυνόμενου φωτός,
·       την εξαιρετικά  μεγάλη διάρκεια ζωής (μέχρι και 50000 ώρες),
·       το ελάχιστο κόστος συντήρησης (αντικατάσταση λαμπτήρα κάθε 11 – 13  χρόνια),
·       τη μεγάλη μηχανική ευελιξία στην εφαρμογή,
·       τη δυνατότητα διαδραστικών εφαρμογών φωτισμού με χρώμα και κίνηση
·       την αξιόπιστη και μεγάλη μηχανική αντοχή σε αντίξοες συνθήκες λειτουργία, και
·       την δυνατότητα αντικατάστασης οποιουδήποτε τύπου λαμπτήρα σε οποιοδήποτε φωτιστικό χωρίς την μετατροπή αυτού

 

Η χρησιμοποίηση των LED ενδείκνυται για εφαρμογές, όπως:

1.  ο γενικός και τοπικός φωτισμός εσωτερικών χώρων,

2.  οι φωτεινές επιγραφές,
3.  η ανάδειξη αρχιτεκτονικών και διακοσμητικών λεπτομερειών,
4.  η σηματοδότηση κυκλοφορίας,
5.  ο φωτισμός προσανατολισμού στα κτίρια,
6.  η σήμανση οδών διαφυγής και
7.  τα μοντέρνα συμπαγή φωτιστικά με δυνατότητα έλεγχου έντασης και χρώματος κ.λπ.

Ηλεκτρονικά συστήματα λειτουργίας λαμπτήρων LED

Οι λαμπτήρες LED, για την έναυσή τους, απαιτούν στο ηλεκτρικό τους κύκλωμα τη χρήση κατάλληλου ηλεκτρονικού συστήματος λειτουργίας το οποίο πρέπει να αντιστοιχίζεται στην ηλεκτρική ισχύ (W) του συστήματος των χρησιμοποιούμενων λαμπτήρων.
Τα ηλεκτρονικά συστήματα ελέγχου λαμπτήρων LED - τα οποία ανήκουν στις συσκευές προηγμένης τεχνολογίας - έχουν ως βασικά πλεονεκτήματα:
·       τη συμβατότητα μεταξύ συσκευής ρύθμισης έντασης φωτισμού (dimmer) και αισθητηρίων, με άμεσο αποτέλεσμα την ευρεία ποικιλία εφαρμογών σε διαφορετικές συνθήκες φωτισμού,
·       τον σχεδιασμό ασφάλειας, με άμεσο αποτέλεσμα την πλήρη λειτουργία μιας συσκευής για πολλές λύσεις,
·       την χαμηλή κατανάλωση ισχύος χάρη στην εξαιρετικά υψηλή απόδοσή τους,
·       τις μικρές απαιτήσεις του χώρου που καταλαμβάνουν
·       τη μεγάλη διάρκεια ζωής χάρη στο σύστημα παρακολούθησης και τις έξυπνες λειτουργίες ελέγχου
·       την δυνατότητα εξοικονόμησης ενέργειας από την παρακολούθηση της κατανάλωσης της ενέργειας και τον έλεγχο των λειτουργιών ρύθμισης έντασης φωτισμού (dimming)
·       την δυνατότητα σύνδεσης πολλών μονάδων παράλληλα ή σε σειρά μεταξύ τους μέσα στην καθορισμένη περιοχή εξόδου, όχι όμως από την πλευρά του δευτερεύοντος,
·       τα μεγάλου μήκους επιτρεπόμενα καλώδια στην πλευρά του δευτερεύοντος και
·       την δυνατότητα ενσωμάτωσής τους στα φωτιστικά σώματα.

 

Είδη των ηλεκτρονικών συστημάτων ελέγχου λαμπτήρων LED

Τα που μπορεί να χρησιμοποιηθούν σε μια εγκατάσταση φωτισμού, κατατάσσονται στις πιο κάτω γενικές κατηγορίες, οι οποίες θα αναφερθούν στα παρακάτω:

1.  τροφοδοτικά χωρίς τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού (non dimmable),

2.  τροφοδοτικά με δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού (dimmable) και
3.  συσκευές συγκεντρωτικών λειτουργιών (all in one devices).

 

Τροφοδοτικά λαμπτήρων LED χωρίς τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού(non dimmable)

Τα τροφοδοτικά λαμπτήρων LED χωρίς τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού (non dimmable) διακρίνονται  –  από την πλευρά της εξόδου τους –  σε:

 

1.  σταθερής τάσης και

2.  σταθερής έντασης ρεύματος.

Τα τροφοδοτικά αυτά, ανάλογα με τον σκοπό που εξυπηρετούν, διατίθενται για διαφορετικές τιμές τάσης και έντασης ρεύματος και περιγράφονται – διεξοδικά – στον πίνακα  1.

α/α	Χαρακτηρισμός λειτουργίας LED	Περιγραφή	Τεχνικά χαρακτηριστικά
1	Σταθερής  τάσης	Τροφοδοτικό σταθερής τάσης για: ■  24 V ■  12 V ■  10V	♦  Τροφοδοσία μονάδων LED από 6 μέχρι 75W ♦  Παράλληλη σύνδεση επιλεγμένων συσκευών για συνολική ισχύ εξόδου μέχρι 300W ♦  Τάση εξόδου της τάξης των 25 V, δηλαδή, ασφαλείας (SELV)
2	Σταθερού ρεύματος	Τροφοδοτικό σταθερού ρεύματος για: ·   350 mA ·   500 mA ·   700 mA ·   1000 mA	► Σύνδεση σειράς μεταξύ επιλεγμένων συσκευών ► Περιορισμένες απώλειες ισχύος συστήματος ► Λειτουργία χωρίς πρόσθετα μέτρα θερμικής προστασίας ► Κατά τη σύνδεση σειράς των LED, η δημιουργούμενη πτώση τάσης δεν πρέπει να ξεπερνά τα 25 V

 

Τροφοδοσία λαμπτήρων LED με δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού (dimmable)

Στην πράξη με τον όρο δυναμικός φωτισμός, εννοούμε τη δυνατότητα ρύθμισης της έντασης φωτισμού σε μια ηλεκτρική εγκατάσταση σε απόλυτη αντιστοιχία στη χρήση για την οποία προορίζεται αυτή π.χ. διακοσμητικές εφαρμογές, περίπλοκους ελέγχους χρωμάτων RGB κ.λπ..

Η επίτευξη του δυναμικού φωτισμού είναι συνάρτηση χρησιμοποίησης κατάλληλων συσκευών οι οποίες μπορεί να είναι εσωτερικά ή εξωτερικά συστήματα τροφοδοτικών ρύθμισης της έντασης φωτισμού μονάδων LED
Τα εσωτερικά ολοκληρωμένα συστήματα τροφοδοτικών, τα οποία χαρακτηρίζονται και ως τροφοδοτικά dimmer, συνδυάζουν την παροχή ηλεκτρικού ρεύματος και κατ’ επέκταση τη λειτουργία ρύθμισης της έντασης φωτισμού των μονάδων LED τους σε μια συσκευή, προσφέροντας εξοικονόμηση χώρου και απλό τρόπο εγκατάστασης.
Τα εξωτερικά συστήματα τροφοδοτικών, τα οποία χαρακτηρίζονται και ως ελεγκτές (drivers) dimmer, συνδέονται μεταξύ της παροχής ηλεκτρικού ρεύματος και των ελεγκτών για τη ρύθμιση της έντασης φωτισμού των μονάδων LED, προσφέροντας τη μεγαλύτερη δυνατή ευελιξία στην επιλογή των εφαρμογών φωτισμού.
Τα συστήματα τροφοδοτικών dimmer και οι ελεγκτές dimmer διατίθενται με διαφορετικές μορφές εισόδων ελέγχου, σύμφωνα με την περιγραφή του πίνακα 2

α/α	Χαρακτηρισμός ρυθμιστή φωτισμού (dimmer)	Περιγραφή	Τεχνικές  ελέγχου
1	Σταθερής τάσης	Τροφοδοτικό για ρύθμιση της έντασης φωτισμού (dimmer)	► 1...10V ► DALI ► DMX
2	Σταθερού ρεύματος	Ελεγκτής για ρύθμιση της έντασης φωτισμού (dimmer)

 

Λειτουργία των ηλεκτρονικών συστημάτων λειτουργίας για λαμπτήρες LED

Όλα τα στοιχεία LED απαιτούν για την τροφοδοσία τους συνεχές ρεύμα. Το μέγιστο ρεύμα, καθορίζεται για κάθε συγκεκριμένο στοιχείο LED, και σε ακολουθία αυτό καθορίζεται και η προκύπτουσα εκπεμπόμενη φωτεινή ροή. Στο σημείο αυτό πρέπει να διευκρινισθεί πως σε μια μελέτη φωτισμού με λαμπτήρες στοιχείων LED, δεν απαιτείται απλά και μόνο ο καθορισμός των φωτομετρικών και γεωμετρικών παραμέτρων αυτών. Πρέπει να επιλέγεται το κατάλληλο τροφοδοτικό και τα κατάλληλα ηλεκτρονικά στοιχεία που απαιτούνται για τη δημιουργία του απαιτούμενου συνεχούς ρεύματος, ώστε, η επιλεγμένη μονάδα LED να αξιοποιείται πλήρως κατά τη χρησιμοποίησή της σε κάποια συγκεκριμένη εφαρμογή.

Κατά τη λειτουργία - λοιπόν - των ηλεκτρονικών συστημάτων λειτουργίας λαμπτήρων LED, και με την ηλεκτροδότηση της πλευράς εισόδου, η εναλλασσόμενη τάση του δικτύου ανορθώνεται σε συνεχή τάση. Η τάση αυτή μετασχηματίζεται στη γεννήτρια υψηλών συχνοτήτων, σε τάση εναλλασσόμενου ρεύματος με ελεγχόμενη συχνότητα η οποία - με τη σειρά της - υποβιβάζεται σε χαμηλότερη τάση προς την πλευρά εξόδου του συστήματος. Η νέα αυτή τάση ανορθώνεται σε συνεχή, και μετά πρόσθετη αποκατάσταση και φιλτράρισμα οδηγείται στο φορτίο, δηλαδή, τη διάταξη των λαμπτήρων LED.
Τέλος, στο σχηματιζόμενο βρόχο μέσω της μονάδας ελέγχου, υπάρχει ανατροφοδότηση της πλευράς της εξόδου με ρύθμιση της παραγόμενης τάσης ή του παραγόμενου ρεύματος - ανάλογα και αντίστοιχα με τον τρόπο λειτουργίας των λαμπτήρων LED, σταθερής τιμής τάσης π.χ. 24 V, ή σταθερής τιμής ρεύματος π.χ. 350 mA  – στις επιθυμητές για αυτά τιμές, με αντίστοιχη και ταυτόχρονα ανάλογη ρύθμιση της συχνότητας (HF).

 

Μπλοκ διάγραμμα λειτουργίας ηλεκτρονικού ballast συστήματος λαμπτήρων LED

 [(1) Ανορθωτική διάταξη 1 και φίλτρο προστασίας υπερτάσεων, καταστολής θορύβων και υψηλών συχνοτήτων, (2) Φίλτρο καταστολής αρμονικών, (3) Σύστημα αποθήκευσης ενέργειας, (4) Σύστημα μεταβολής DC /AC (ΣΡ/ΕΡ), (5) Σύστημα μετατροπής υψηλών συχνοτήτων (HF), (6) Ανορθωτική διάταξη 2 (εξόδου) και φίλτρο προστασίας, (7) Φίλτρο αποθήκευσης ενέργειας, (8) Μονάδα ελέγχου λειτουργίας του συστήματος λαμπτήρα LED, (9) Προστασία χαμηλής τάσης ασφαλείας (SELV) μεταξύ πλευράς εισόδου και πλευράς εξόδου της διάταξης, (10) Σύστημα λαμπτήρα LED]

 

Μεταξύ της πλευράς εισόδου και εξόδου των ηλεκτρονικών συστημάτων λειτουργίας λαμπτήρων  LED, εξασφαλίζεται προστασία χαμηλής τάσης ασφαλείας (SELV). Ακόμη, τα συστήματα αυτά διαθέτουν ειδικές μονάδες για προστασία από υπερφόρτιση, βραχυκύκλωμα και υπερθέρμανση, με αποτέλεσμα να επιτρέπουν στα συστήματα LED συστήματα να λειτουργούν με ασφάλεια και με αξιοπιστία.

Σε επόμενο άρθρο θα αναφερθούμε στην ηλεκτροδότηση των ηλεκτρονικών συστημάτων λειτουργίας, καθώς και  στις τεχνικές ελέγχου φωτισμού με λαμπτήρες LED που παρουσιάζουν εξαιρετικό ενδιαφέρον.

 

Το άρθρο αυτό δημοσιεύεται στο νέο τεύχος του περιοδικού ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΟΣ