Zintegrowane zasilacze 48-woltowe otwierają nowe możliwości dla oświetlenia LED

Sieci dystrybucji niskonapięciowego zasilania DC mają wiele zalet, wśród których do głównych zaliczyć można wysoką efektywność przesyłu energii, dobry poziom bezpieczeństwa i ochrony przeciwporażeniowej, łatwość integracji z systemami teleinformatycznymi oraz telekomunikacyjnymi, a także wysoką niezawodność. Integracja tego typu sieci zasilania z systemem oświetlenia LED pozwala na dalszą redukcję kosztów nie tylko materiałów, ale także montażu oraz utrzymania instalacji, daje też projektantom oświetlenia dużą swobodę kształtowania designu systemu.

Przyczyny popularności standardu 48 V

Standard zasilania 48 V związany jest ściśle z rozwojem systemów telekomunikacyjnych oraz komputerowych. Od dłuższego czasu jest to typowe napięcie zasilania różnego typu central i sterowni telekomunikacyjnych, spotykane powszechnie także w systemach obliczeniowych. Rozwiązanie to cechuje się wysokim poziomem standaryzacji – na rynku istnieje całe mnóstwo komponentów produkowanych przez różnych wytwórców i charakteryzujących się wzajemną kompatybilnością. Wszystkie elementy systemu zasilania, w tym również zasilacze oraz okablowanie, opisane są za pomocą szczegółowych i powszechnie akceptowanych norm, co gwarantuje wysoką niezawodność całego systemu, a także znacząco upraszcza jego projektowanie.

Implementacja tego typu systemu wymaga pewnych zabiegów związanych z modyfikacją istniejącej w budynku instalacji elektrycznej, opartej z reguły na sygnale zmiennoprądowym pochodzącym z sieci energetycznej. Konieczna jest instalacja dodatkowych siłowni DC oraz rozprowadzenie sygnału do poszczególnych pomieszczeń.

Sygnał 48 VDC świetnie nadaje się do zasilania oświetlenia LED, znacząco upraszczając konstrukcję systemu oświetlenia. Główna zaleta tego rozwiązania związana jest z eliminacją konieczności konwersji sygnału zmiennego (AC) na sygnał stały (DC). Pozwala to na uzyskanie oszczędności nie tylko kosztów, ale i przestrzeni, co może zostać wykorzystane w celu uatrakcyjnienia wyglądu systemu. Oprawy oświetleniowe nie muszą pomieścić systemów konwersji zasilania, dzięki czemu ich kształt może być znacznie elastyczniej dopasowywany do koncepcji designerów i projektantów wnętrz.

Standaryzacja w branży

Wykorzystaniu zasilania napięciem 48 V w konstrukcji systemów oświetlenia sprzyja rosnąca popularność układów LED typu COB (chip-on-board). W tego typu układach struktury LED wytworzone na podłożu półprzewodnikowym przymocowane są bezpośrednio do obwodu drukowanego (płytki PCB). Układy LED COB zawierają wiele połączonych szeregowo diod umieszczonych na wspólnym podłożu, dzięki czemu do sterowania ich pracą wymagana jest jedynie para przewodów zasilających. W porównaniu do innych technologii wytwarzania oświetlenia LED, komponenty tego typu charakteryzują się najwyższą gęstością upakowania źródeł światła i co za tym idzie, również największą gęstością strumienia świetlnego w przeliczeniu na pobieraną moc zasilania (mierzoną w lumenach/wat).

 

Rys. 1. Zasilacze LED zintegrowane w uchwytach COB stwarzają nowe możliwości, również dla wizualnego aspektu projektu

Do podstawowych wad tej konstrukcji należy brak możliwości sterowania barwą emitowanego światła. W początkowym okresie rozwoju tej technologii wiele kłopotów konstruktorom sprawiał również brak standaryzacji, znacząco utrudniający dobór modułu LED COB pasującego do określonej oprawy oświetleniowej. Obecnie większość produktów dostępnych na rynku jest jednak zgodna z wytycznymi organizacji Zhaga, czyli konsorcjum branżowego mającego na celu ujednolicenie interfejsów opraw oświetleniowych LED i modułów oświetleniowych. Zhaga określa procedury testowania opraw oświetleniowych i modułów świetlnych LED w taki sposób, aby osiągnąć ich wzajemną kompatybilność.

Standaryzacja zapewnia projektantom znacznie większą elastyczność oraz ogromnie przyspiesza proces projektowania systemów oświetleniowych. Umożliwia dopasowanie modułów świetlnych do opraw pochodzących od wielu różnych producentów, to wszystko może być zaś w dowolnej konfiguracji wykorzystane w jednym projekcie.

Integracja przetwornika DC-DC

Wytyczne Zhagi określają standardowe wymiary opraw oraz uchwytów COB, przewidując miejsce na umieszczenie w ich wnętrzu niezbędnych podzespołów – wyprowadzeń złączy LED oraz układu zasilania. Wykorzystanie sieci 48 V eliminuje konieczność stosowania układów konwersji AC-DC, charakteryzujących się raczej sporymi rozmiarami. W powstałe puste miejsce świetnie wpasowują się znacznie zazwyczaj mniejsze stałoprądowe konwertery DC-DC. Zintegrowany w ten sposób zasilacz LED umożliwia projektantom opraw świetlnych znacznie większą swobodę formowania kształtów oraz wymiarów swoich produktów, pozbawioną konieczności zmieszczenia we wnętrzu prostokątnej puszki zawierającej układ zasilania.

Przykład praktyczny – oświetlenie szynowe

Warto rozważyć korzyści płynące z wykorzystania zasilania napięciem 48 V na przykładzie klasycznego systemu oświetlenia szynowego. W tradycyjnej implementacji tego rozwiązania, zasilanej napięciem z sieci energetycznej, każdy z reflektorów szynowych połączony jest ze sterownikiem LED, zrealizowanym zazwyczaj w postaci metalowego proprostokątnego pudełka przyczepionego do szyny. Nie jest to estetyczne, przy tym zaś dość trudne do ominięcia, nie ma bowiem zbyt wielu możliwości ukrycia układu zasilania w obudowie reflektora. Konstrukcja taka utrudnia również proces produkcyjny, ponieważ zwiększa stopień skomplikowania etapu montażu urządzenia.

Wykorzystanie napięcia 48 V oraz układu zasilania zintegrowanego w uchwycie COB znacząco upraszcza cały projekt. Nie ma potrzeby stosowania dodatkowej puszki zasilacza, upraszcza się również system odprowadzania ciepła z diod, ponieważ oprawa LED staje się jednocześnie radiatorem.

Wykorzystanie zintegrowanych zasilaczy wpływa pozytywnie nie tylko na sferę estetyczną projektu, lecz pozwala również na znaczące uproszczenie procesu montażu, eliminując konieczność wykonywania jakichkolwiek połączeń lutowniczych. Nie ma potrzeby tworzenia połączenia pomiędzy sterownikiem LED a modułem świetlnym, co wpływa na dalszą redukcję kosztów produkcji. Tego typu korzyści mogą przesądzić o końcowym sukcesie produktu, wpływając na obniżenie jego ceny rynkowej, a przez to na wzrost atrakcyjności w oczach potencjalnych klientów.

Dostosowanie produktu do potrzeb klienta również nie wymaga wprowadzania zmian w procesie produkcji. Jeśli zamówienie wymaga uzyskania innej barwy lub natężenia światła, istnieje pełna swoboda zamiany modułów świetlnych COB LED na inny model, kompatybilny z wybranym uchwytem oraz oprawą.

Zasilanie 48 V a jakość oświetlenia

 

Rys. 2. Integracja zasilacza 48 V w uchwycie COB LED nie oznacza utraty jakości oraz niezawodności źródła światła

Układy LED zasilane napięciem 48 V charakteryzują się jakością generowanego oświetlenia nie gorszą niż w przypadku ich tradycyjnych odpowiedników zasilanych z sieci energetycznej. Jednym z głównych parametrów służących do oceny jakości oświetlenia LED jest współczynnik migotania – im niższy, tym większa stabilność natężenia strumienia świetlnego. W bardzo dużym stopniu zależy on od jakości zastosowanego układu zasilacza i poziomu tętnienia jego prądu wyjściowego. Dobrej jakości zintegrowane zasilacze 48 V są w stanie zapewnić współczynnik migotania na poziomie 2% dla minimalnej jasności, co jest wartością uznawaną za wynik niezauważalny dla ludzkiego oka.

Podsumowanie

Sieci dystrybucji zasilania o napięciu 48 V są powszechnie wykorzystywane do zasilania urządzeń i systemów telekomunikacyjnych i obliczeniowych. Sposób ich projektowania i konstrukcji jest wysoce ustandaryzowany. Jedną z ich zalet jest zapewnienie małej awaryjności, dużego bezpieczeństwa dla użytkowników oraz niskiego poziomu strat przesyłanej energii. Tego typu sieć może zostać wykorzystana również do zasilania systemu oświetlenia opartego na lampach LED. Zasilanie lamp napięciem stałym eliminuje konieczność stosowania układów konwersji AC-DC, co upraszcza konstrukcję opraw oświetleniowych oraz zwiększa swobodę projektantów w kształtowaniu wizualnej strony projektu. Na rynku dostępne są uchwyty COB LED ze zintegrowanym zasilaczem 48 V – ich wykorzystanie pozwala znacząco przyspieszyć i ułatwić proces produkcji i montażu urządzeń, eliminując konieczność stosowania zewnętrznego układu zasilania.

Damian Tomaszewski