Zasilacz do lampy ledowej

W tej rubryce przedstawiane są odpowiedzi na wybrane pytania dotyczące elektroniki, zawarte w komentarzach do postów i filmów, nadsyłane przez Patronów i Mecenasów. Wszystkie możliwości kontaktu podane są na stronie: Zapytaj, odpowiedz.

Zepsuła się lampa ledowa. Podejrzewam zasilacz. Jaki zasilacz kupić, żeby to sprawdzić i naprawić? Jaka ma być moc i napięcie zasilacza?

Problem polega głównie na tym, że jesteśmy przyzwyczajeni do baterii, akumulatorów oraz do zasilaczy dających na wyjściu niezmienne, (w miarę) stałe napięcie. Najważniejszym parametrem takich źródeł jest napięcie, a w przypadku zasilaczy, także moc wyjściowa lub prąd maksymalny. Takie klasyczne zasilacze są odpowiednie do zasilania popularnych taśm LED, z których przytłaczająca większość zasilana jest napięciem stałym 12V, a potrzebny prąd jest wprost proporcjonalny do długości taśmy LED.

Tymczasem w „lampach ledowych” potrzebne są nietypowe zasilacze „prądowe”, a dokładniej stałoprądowe, do jakich absolutnie nie jesteśmy przyzwyczajeni, bo takich zasilaczy do tej pory praktycznie nie było na rynku. Jak się okazało, Autor pytania wcześniej nie spotkał się z takimi zasilaczami i dlatego pytał o napięcie wyjściowe zasilacza. A powinien pytać o prąd wyjściowy.

Powinien kupić tak zwany zasilacz prądowy, inaczej mówiąc zasilacz stałoprądowy. Dziś w sklepach elektrycznych takie zasilacze są dostępne bez problemu, trzeba tylko dobrać wersję o parametrach odpowiednich do danego modułu LED. Tu jednak jest pewien problem. Trzeba bowiem znać parametry współpracującego modułu LED (modułu COB LED – Chip On Board LED). O tym za dalej w artykule.

W każdym razie do takiego celu  potrzebny jest zasilacz (stało)prądowy, w którym podstawowym parametrem jest prąd wyjściowy, a nie jest napięcie wyjściowe; drugim kluczowym parametrem jest maksymalna moc wyjściowa.

Fotografia 1 (Aliexpress) pokazuje zasilane z sieci zasilacze prądowe w wersji bez obudowy.

Dawniej zasilacze zawierały ciężki transformator sieciowy, o którym można powiedzieć, że to on wyznaczał podstawowe właściwości zasilacza. Natomiast współczesne zasilacze w przytłaczającej większości są przetwornicami impulsowymi, czyli są dość skomplikowanymi układami elektronicznymi.

Wprawdzie też zawierają transformator – mały transformator impulsowy, ale w sumie finalne parametry zasilacza określa nie ten transformator impulsowy, tylko współpracujący z nim układ elektroniczny. I ten układ elektroniczny przetwornicy łatwo zrealizować tak, żeby albo stabilizował napięcie wyjściowe, co da klasyczny zasilacz napięciowy, albo żeby stabilizował prąd wyjściowy, co da właśnie zasilacz prądowy. Uwaga! Niektórzy tłumaczą, że zasilacz prądowy to zwykły zasilacz o jakimś napięciu wyjściowym, z wbudowanym ogranicznikiem prądowym. Można tak podejść do tematu, ale to utrwala nieścisłe i nieprawidłowe wyobrażenia dotyczące kilku ważnych zagadnień, dlatego ja proponuję tu opis z początku trudniejszy, ale finalnie lepszy z kilku względów. Proponuję mianowicie, żebyśmy potraktowali zasilacz prądowy, jako swego rodzaju „odwrotność” klasycznego zasilacza napięciowego.

Działanie klasycznego zasilacza napięciowego jest dla nas oczywiste: na wyjściu utrzymuje on jednakowe napięcie U, a prąd wyjściowy I, zależnie od dołączonego obciążenia R, może zmieniać się od zera do jakiejś wartości maksymalnej według wzoru I = U / R. Zasilacz ma określony prąd maksymalny I_MAX i właśnie maksymalny prąd wyjściowy pomnożony przez napięcie wyjściowe daje (wyznacza) moc maksymalną zasilacza P_MAX = U * I_MAX. Nie zastanawiamy się zwykle, co się będzie dziać, gdybyśmy próbowali pobrać z takiego zasilacza prąd większy, niż jego prąd maksymalny – są różne możliwości, ale nie omawiajmy tego, bo to tylko przeszkodzi w rozważaniach o zasilaczach prądowych. Wiemy, że wyjścia zasilacza napięciowego nie wolno zwierać, czyli dołączać tam obciążenie o rezystancji zero, ponieważ grozi to uszkodzeniem. Jest też dla nas „oczywistą oczywistością”, że taki klasyczny zasilacz napięciowy nie musi być obciążony maksymalnie, a wtedy przekazuje do obciążenia moc mniejszą od maksymalnej. Tak samo oczywiste jest, że bez obciążenia napięcie wyjściowe U jest nominalne, a prąd I jest równy zeru, więc moc wyjściowa (P = U * I) też jest równa zeru. Tu nie ma wątpliwości.

Zasilacz (stało)prądowy działa w pewnym sensie odwrotnie. Nie stabilizuje napięcia, tylko chce stabilizować prąd. I właśnie to jest dla nas dziwne, bo rzadko mamy do czynienia z takim działaniem. Podstawowa zależność jest jednak prosta: jeżeli do zasilacza prądowego o jakimś określonym prądzie wyjściowym I dołączymy obciążenie w postaci rezystora R, to przez to obciążenie popłynie prąd I, co spowoduje wystąpienie na nim napięcia zgodnie z oczywistym wzorem U = I * R. I tu zaczyna się problem! Mianowicie napięcie wyjściowe jest zależne od (rezystancji) obciążenia, a my jesteśmy przyzwyczajeni, że napięcie powinno być niezmienne.

Przede wszystkim zaskakująca jest następująca skrajna sytuacja: co się dzieje, gdy rezystancja obciążenia R jest bardzo duża i dąży do nieskończoności? Otóż teoretycznie powinno wtedy dążyć do nieskończoności zarówno napięcie (U = I * R), jak i moc wyjściowa (P = U * I).

W przypadku klasycznego zasilacza napięciowego  oczywiste jest, że dla każdego realnego zasilacza o napięciu wyjściowym U mamy jakiś prąd maksymalny I i moc maksymalną P, zależną m.in. od wielkości tego zasilacza. Analogiczne jest w zasilaczu prądowym: on też ma jakąś moc maksymalną P i jakieś maksymalne… napięcie wyjściowe U. W praktyce przetwornica impulsowa, która ma stabilizować prąd, ma też wbudowany obwód ograniczania napięcia. Napięcie wyjściowe nie może wzrastać dowolnie, więc przy bardzo dużej rezystancji obciążenia, w szczególności przy rozwarciu wyjścia, napięcie wyjściowe realnego zasilacza prądowego powinno wzrosnąć tylko do ustalonej przez konstruktora wartości.

Zaskakująca jest też sytuacja przeciwna: otóż zasadniczo, gdy w zasilaczu prądowym rezystancja obciążenia R jest bardzo mała lub gdy jest bliska zeru, czyli gdy jest zwarciem, to… nic się nie dzieje, nie ma żadnego zagrożenia – wbrew potocznym wyobrażeniom, że każde zwarcie jest niebezpieczne. Zasilacz prądowy nie powinien więc bać się ani zwarcia, ani rozwarcia wyjścia.

Nie powinien, ale projektanci współczesnych zasilaczy impulsowych czasem tak projektują układ, że jego działanie zaskakuje. Sam niedawno zostałem zaskoczony działaniem impulsowego klasycznego zasilacza napięciowego, który przy braku obciążenia… pozostawał wyłączony i miał wtedy na wyjściu napięcie praktycznie równe zeru! Otóż projektant uznał, że ten zasilacz w czasie pracy ma być obciążony, co najmniej jakimś niedużym prądem, i gdy takiego obciążenia nie ma, elektroniczny układ przetwornicy zostaje wyłączony (co zresztą ma uzasadnienie – oszczędność energii w stanie jałowym). Ściślej biorąc, przetwornica przy zbyt małym obciążeniu wyjścia przechodzi w tryb czuwania i co jakiś czas sprawdza – próbkuje, czy obciążenie zostało dołączone. Jeśli nie, to pozostaje w trybie próbkowania, a na wyjściu co jakiś czas pojawiają się tylko króciutkie impulsy, a średnie napięcie wyjściowe jest praktycznie równe zeru.

Projektanci zasilaczy prądowych przeznaczonych dla modułów COB LED mogą stosować i stosują analogiczne rozwiązania. Mianowicie dodają obwody, które wyłączą przetwornicę, jeżeli napięcie wyjściowe jest zbyt niskie – dużo niższe, niż napięcie pracy przewidywanego modułu COB LED. Nawet jeśli takiego obwodu zabezpieczenia nie ma, zasilacze prądowe mają określony zakres dozwolonych napięć wyjściowych, przy których będą prawidłowo pracować. Dlatego na obudowach takich zasilaczy, oprócz wartości prądu wyjściowego, podaje się zakres prawidłowych napięć wyjściowych. Przykłady masz na fotografii 2 (Aliexpress). Wszystkie są zasilaczami prądowymi o prądzie 300mA. Ponieważ napięcie przewodzenia białej diody wynosi mniej więcej 3,3V (3…4V), więc przy prądzie 0,3A pobiera on moc około 1 wata. I właśnie to mamy w oznaczeniu modelu: podana jest liczba połączonych w szereg diod 1-watowych, które może obsłużyć dany zasilacz. Ten na samej górze obsłuży 1…3 diod, więc napięcie pracy będzie wynosić 3…12V. Z kolei najsilniejszy zasilacz na samym dole może zasilić łańcuch 25…36 połączonych w szereg 1-watowych diod, więc jego napięcie podczas pracy będzie wynosić 75…135V.

W tym przypadku nie ma podanej mocy, ale należy zwrócić uwagę, że sprzedawcy często mnożą prąd pracy przez podane najwyższe napięcie pracy i taką podają moc zasilacza, co może być mylące.

Można się też zdziwić z innego powodu: niektórzy sprzedawcy podają, że dany zasilacz nie może pracować ani być testowany bez obciążenia wyjścia – przykład na rysunku 3.

To jest wręcz niewiarygodne i może wyglądać na niedoróbkę, a wręcz błąd w bardzo tanim zasilaczu, którego konstruktor z nadmiernej oszczędności nie zabezpieczył przetwornicy przez uszkodzeniem…

Generalnie, na wyjściu nieobciążonego zasilacza prądowego powinno występować napięcie bliskie maksymalnemu przewidzianemu dla tego zasilacza. Ale uwaga! Projektant zasilacza prądowego zamiast pominąć zabezpieczenie nadnapięciowe, może zrobić coś przeciwnego: może dodać obwody, które wyłączą przetwornicę, gdy wyjście zasilacza jest nieobciążone. Wspominam o tym dlatego, że można natknąć się na tego rodzaju rozwiązanie: jak najbardziej sprawny zasilacz prądowy nie będzie pracował ani przy zbyt małym, ani przy zbyt dużym obciążeniu. Dopiero dołączenie prawidłowego obciążenia „obudzi” przetwornicę impulsową tego zasilacza.

To zresztą jest powód, dla którego zasilaczy prądowych nie należy testować w wykorzystaniem żarówek. Jeżeli przetwornica ma któreś z opisanych właśnie zabezpieczeń, to może nie chcieć wystartować z zimną żarówką, której włókno ma mała rezystancję. Także przy testach z wykorzystaniem rezystorów należy tak dobrać rezystancję obciążającą, żeby przy danym prądzie wyjściowym napięcie wyjściowe mieściło się w granicach podanych na zasilaczu.

Dlatego też warto testy zasilaczy prądowych przeprowadzać stosując jako obciążenie moduł COB LED o napięciu leżącym w środkowym zakresie napięć tego zasilacza prądowego.

Tu też można natknąć się na niespodzianki. Niespodzianek nie ma tylko w przypadku taśm LED, które zasila się napięciowo, a nie prądowo, ponieważ mają one wbudowane rezystory ograniczające prąd. Rysunek 4 pokazuje schemat budowy 12-woltowych taśm LED, gdzie w szereg połączone są trzy diody LED.

W modułach COB LED nie ma rezystorów ograniczających i w szereg połączonych jest zwykle znacznie więcej niż trzy diody LED. Właśnie z uwagi na brak marnujących energię rezystorów ograniczających, moduły COB LED powinny być zasilane prądowo. Rysunek 5 pochodzi z oferty 300-miliamperowych modułów COB LED, zawierających różną liczbę połączonych szeregowo diod. Wersja 10-watowa zawiera dziesięć diod i jej napięcie pracy wyniesie 29…35V, natomiast wersja 30-watowa to 30 diod o napięciu zasilania 87…108V. Wersja najsilniejsza 36-watowa zawiera 48 diod (2 łańcuchy po 24 diody), które z uwagi na silne nagrzewanie mają pracować przy mniejszym prądzie (po 150mA), a napięcie pracy wyniesie 69..84V.

Dostępne są diody i moduły COB LED o różnych prądach. Podstawowe nominały prądu pracy to 350mA, 700mA, 1050mA, 1400mA, 2100mA, ale bardzo często spotyka się moduły COB LED o zalecanych prądach pracy 150mA, 300mA, 600mA, 900mA i jeszcze innych.

Na przykład fotografia 6 pokazuje mały moduł, tak zwany 10-watowy, gdzie wewnątrz mamy połączenie dziewięciu diod LED: trzy łańcuchy po 3 diody. Oczywiście też należy je zasilać za pomocą zasilaczy prądowych – w tym przypadku o prądzie około 900mA, a napięcie pracy wyniesie około 9…11V.

Bardzo popularne, bardzo tanie, ale zwykle też dające światło o bardzo słabej jakości, są moduły pokazane na fotografii 7. Zawierają kilka łańcuchów po 10 diod każdy, dlatego ich napięcie pracy wynosi około 30…40V. Jeden łańcuch z 10 diodami ma teoretycznie 10 watów, więc o mocach 20, 30, 50, 100W zawierają odpowiednio 2, 3, 5, 10 takich łańcuchów, co widać na fotografii 7. Proponowane dla nich prądy pracy wynoszą odpowiednio 600mA, 900mA, 1,5A i 3A. W praktyce prąd pracy powinien być znacznie mniejszy, a absolutna koniecznością jest solidny radiator. W przeciwnym wypadku diody szybko stracą parametry i ulegną uszkodzeniu. Skuteczne chłodzenie, czyli odprowadzanie ciepła wydzielającego się w diodach LED to ogromnie ważne zagadnienia, a większość błędów polega właśnie na pracy diod LED przy zbyt dużym prądzie i zbyt słabym chłodzeniu. To jednak odrębne i bardzo szerokie zagadnienie.

Jeżeli chodzi o zakup zasilacza prądowego do modułów COB LED, oferta rynkowa jest bardzo szeroka. Daje o tym pojęcie także rysunek 8 – fragment oferty jednego ze sklepów internetowych.

Dokonując wyboru, przede wszystkim należy wybrać odpowiedni dla danego modułu COB LED prąd pracy. Bezpieczniej jest pracować przy prądzie mniejszym, niż podaje sprzedawca – zwiększy to trwałość, ale pod warunkiem zastosowania skutecznego chłodzenia.

Należy też dobrać zasilacz o zakresie napięć pracy stosownym do danego modułu, czyli zależnym od liczby diod połączonych szeregowo w łańcuchu (łańcuchach). Ogólnie biorąc, na jedną białą diodę zwykle przypada napięcie około 3,2…3,4V.

Inna, znacznie trudniejsza kwestia, to wybór modułu COB LED na podstawie jego dostępnych parametrów i ceny. To jednak odrębne, szerokie zagadnienie, które możemy omówić oddzielnie.

Omówiliśmy z grubsza  podstawowe zasady doboru zasilaczy prądowych. Przykładami były tanie i stosunkowo proste zasilacze z niższej półki. Warto jednak wiedzieć, że istnieją też zasilacze prądowe, przeznaczone do systemów inteligentnych domów, których prąd wyjściowy można zdalne i w różny sposób regulować, a tym samym zmieniać jasność świecenia diod LED. Takie zaawansowane zasilacze mogą mieć różne sposoby regulacji. Najprostsza i najpopularniejsza jest regulacja wypełnienia podawanych na moduł LED impulsów prądowych (PWM) o częstotliwości 100Hz do 2kHz. Różne są też interfejsy sterujące: od analogowych oznaczanych 0–10V i 1–10V do bezprzewodowych, w tym wykorzystujących WiFi.

Fotografia 9 pokazuje zasilacz LC-60 znanej firmy MeanWell, pozwalający regulować prąd wyjściowy, i to na kilka sposobów. To jednak oddzielny, obszerny temat. ©

Piotr Górecki