Układy zasilające i sterujące źródłami światła stosowanymi w oświetleniu zewnętrznym

fot. OSRAM

W artykule przedstawiono główne zalety stosowania elektronicznych układów zasilających lampy wyładowcze (stateczniki elektroniczne) w porównaniu z tradycyjnymi układami zasilającymi (dławiki magnetyczne). Sterowanie oświetleniem zewnętrznym, w którym jako źródła światła używane są lampy wyładowcze oraz LED jest możliwe dzięki zastosowaniu elektronicznych układów zasilających. Przedstawiono także przykłady konstrukcji elektronicznych układów zasilających umożliwiających sterowanie lampami wyładowczymi oraz źródłami LED na przykładzie oferty firmy OSRAM, jednego z wiodących producentów elektronicznych układów zasilających źródła światła.

Obecnie do głównych typów źródeł światła stosowanych w oświetleniu zewnętrznym należą lampy sodowe wysokoprężne, lampy metalohalogenkowe oraz diody elektroluminescencyjne (LED). Parametry świetlne, energetyczne oraz eksploatacyjne tych źródeł światła zależą w istotny sposób od sposobu ich zasilania. Rozwój techniczny elektronicznych układów zasilających spowodował coraz szersze ich zastosowanie.

Lampy wyładowcze mogą być zasilane zarówno tradycyjnymi układami zasilającymi jak i elektronicznymi statecznikami, natomiast LED wymagają stosowania wyłącznie elektronicznych układów zasilających.

W artykule przedstawiono główne zalety stosowania elektronicznych układów zasilających lampy wyładowcze (stateczniki elektroniczne) w porównaniu z tradycyjnymi układami zasilającymi (dławiki magnetyczne).

Główne zalety stateczników elektronicznych stosowanych do zasilania lamp wyładowczych – dane ogólne (tab. 1)

W wielu przypadkach stosowanie stateczników elektronicznych do lamp wyładowczych (lamp metalohalogenkowych i lamp sodowych wysokoprężnych) zapewnia wiele korzyści użytkownikom oświetlenia zewnętrznego. Do głównych zalet stosowania stateczników elektronicznych w porównaniu do tradycyjnych układów zasilających można zaliczyć:

• mniejsze zużycie energii elektrycznej,
• przedłużenie trwałości lampy,
• szybszy zapłon lampy,
• lampa wytwarza światło o stabilniejszej barwie (w przypadku lamp metalohalogenkowych),
• lampa jest automatycznie wyłączana pod koniec trwałości,
• dzięki zasilaniu wyższą częstotliwością (np. 165 Hz) lampa wytwarza nietętniące światło,
• parametry pracy lampy (prąd, napięcie, moc) są kontrolowane w całym okresie trwałości,
• małe wymiary i masa,
• jeden układ zasilający realizujący zapłon i stabilizację pracy lampy,
• cicha praca.

Tabela 1. Główne zalety statecznika elektronicznego:

Główne zalety stateczników elektronicznych – dane szczegółowe 

Ograniczenie zużycia energii elektrycznej

W porównaniu z konwencjonalnymi układami zasilającymi, elektroniczne układy zasilające mogą wydatnie obniżyć zużycie energii elektrycznej w ciągu całego okresu trwałości źródła światła. Ograniczenie zużycia energii elektrycznej wynika z dwóch powodów:

1. Straty mocy w dławiku magnetycznym. 

W konwencjonalnych układach zasilających duża część energii jest tracona na ciepło, co wynika z budowy dławika magnetycznego, w odróżnieniu od elektronicznego statecznika, który jest zbudowany z elementów zmniejszających straty do mniej niż 10% mocy znamionowej lampy.

2. Zwiększenie mocy w czasie.

Moc układu w przypadku zasilania lampy przez dławik tradycyjny ulega zwiększeniu w czasie (w procesie zużywania się lampy). Zwiększenie wartości napięcia na lampie jest rezultatem jej zużywania się, napięcie na lampie może wzrosnąć o 30%. To zjawisko jest przyczyną zwiększania się mocy układu w czasie, ponieważ tradycyjny układ nie kontroluje parametrów zasilania lampy. W przypadku zasilania źródeł statecznikiem elektronicznym moc układu jest stała w czasie całego okresu trwałości lampy, ponieważ statecznik kontroluje wartość prądu lampy i napięcia na lampie. Maksymalne dopuszczalne wahania mocy to +/- 3%. Na przykład całkowita moc lampy metalohalogenkowej o mocy 70 W zasilanej przez statecznik elektroniczny wynosi 73 W i jest stała w czasie całego okresu trwałości lampy.

Średnia trwałość i kontrola wyłączenia lampy pod koniec jej trwałości

Elektroniczne układy zasilające oferują wiele korzyści w dziedzinie zwiększenia średniej trwałości lamp, odpowiednią, stabilną pracę lamp i ich wyłączenie pod koniec trwałości. Obszerne badania laboratoryjne i doświadczenie praktyczne pokazują, że elektroniczne układy zasilające mają pozytywny wpływ na średnią trwałość lampy. Precyzyjny, a zarazem delikatny zapłon lampy, większa stabilność termiczna, stała moc układu (stała moc lampy), gwarantują zwiększoną trwałość lamp metalohalogenkowych nawet do 30%.

Ograniczony czas zapłonu gwarantuje, że zużyte lampy, gdzie stabilne poprawne działanie nie jest już dłużej możliwe, są odłączane. W ten sposób unika się migotania światła, takie rozwiązanie zapobiega również obciążaniu przewodów i elektronicznego układu zasilającego. Statecznik elektroniczny zapewnia stałą kontrolę parametrów, takich jak napięcie źródła lub prąd źródła poprzez zintegrowany mikrokontroler i korygowanie do zadanych znamionowych wartości parametrów. Możliwe jest również wyłączenie źródła zanim osiągnie się krytyczne lub nieoczekiwane warunki, które często mogą się pojawiać.

Jakość światła, temperatura barwowa, zapłon

Lampy metalohalogenkowe zasilane statecznikami elektronicznymi utrzymują stały strumień świetlny od zapłonu aż do końca eksploatacji źródła. W wyniku utrzymania stałej mocy źródła realizowana jest kompensacja zmian jakości światła, co może być spowodowane np. zużywaniem się lampy w czasie. Rezultat jest jeszcze bardziej widoczny w przypadku utrzymania jednolitej temperatury barwowej światła.

Wahania napięcia zasilającego statecznik elektroniczny nie mają wpływu na moc lampy (parametry jej zasilania), a stała moc źródła światła oznacza, że zmiany napięcia zasilającego (sieciowego) nie mają wpływu na jakość wytwarzanego światła.

Na przykład statecznik elektroniczny POWERTRONIC® firmy OSRAM zasila lampę napięciem prostokątnym, kształt napięcia zasilającego ma duży wpływ na proces stygnięcia elektrod (krótszy czas przejścia przez zero niż w przypadku napięcia sinusoidalnego powoduje, że elektroda krócej stygnie). Rezultatem wolniejszego schładzania się elektrod jest redukcja emisji materiału elektrod, co w konsekwencji przedłuża trwałość i ogranicza przyczernianie bańki lampy. Inny sposób zasilania lampy wpływa również na efektywniejsze wykorzystanie wyładowania, przy lekko wyższej temperaturze plazma osiąga od 3 do 5% wyższą skuteczność świetlną, co ma pozytywny wpływ na strumień świetlny i sumuje się z efektem ograniczania przyciemniania bańki.

Statecznik elektroniczny powoduje szybszy zapłon lampy w stosunku do zasilania konwencjonalnego. W przypadku zasilania lampy podwójnie trzonkowanej przez statecznik POWERTRONIC® [1] wytwarza ona 90% maksymalnego strumienia świetlnego po około 40 sekundach. Taki sam poziom strumienia świetlnego w przypadku zasilania przez konwencjonalny układ zasilający jest osiągany po 65-70 sekundach. 50% szybszy zapłon lampy spowodowany jest przez większy prąd zapłonu, statecznik elektroniczny dostarcza zdecydowanie większą moc do lampy, co wpływa na szybszy jej zapłon.

Wymiary, waga i obsługa

Statecznik elektroniczny to połączenie trzech elementów: układu zapłonowego, dławika i elementu kompensującego moc bierną w jedną jednostkę. Połączenie trzech elementów w jeden zdecydowanie upraszcza instalację i zmniejsza ryzyko błędu podczas instalacji.

Dwulampowe układy zasilające POWERTRONIC [1] (np. 2 razy 35 W, 2 razy 70 W) zwiększają dwukrotnie zalety tych stateczników elektronicznych, można bowiem do nich podłączyć dwie oprawy oświetleniowe.

Elektroniczne układy zasilające są także lekkie. Ważą o około 50-60% mniej od konwencjonalnych układów zasilających, co daje duże możliwości projektantom oprawy oświetleniowej – małe wymiary oprawy, szeroki zakres materiałów i mniejsze elementy mocujące.

Możliwości zastosowania w sterowaniu oświetleniem zewnętrznym

Inteligentne elektroniczne urządzenia zasilające oferują całkowicie nowe możliwości sterowania oświetleniem, kontrolowania i monitorowania systemu oświetleniowego dzięki dwukierunkowemu transferowi danych. Możliwości takie, jak kontrola parametrów lampy, kontrola statecznika zintegrowanego w systemie sterowania oświetleniem, centralne lub lokalne sterowanie oświetleniem nie tylko do regulacji natężenia oświetlenia, zakres jest stale poszerzany o takie funkcje, jak optymalizacja utrzymania i prace naprawcze.

Zastosowanie stateczników elektronicznych do lamp wyładowczych w systemach sterowania oświetleniem zewnętrznym

Stosowanie stateczników elektronicznych umożliwia realizację sterowania oświetleniem zewnętrznym. Przykład stateczników elektronicznych, które umożliwiają wielofunkcyjne sterowanie strumieniem świetlnym lamp metalohalogenkowych i lamp sodowych wysokoprężnych oraz diod elektroluminescencyjnych (LED), przedstawiony jest na przykładzie elektronicznych stateczników POWERTRONIC 3DIM oraz elektronicznych zasilaczy do LED OPTOTRONIC 3DIM firmy OSRAM.

Stateczniki POWERTRONIC 3DIM przystosowane są do zasilania i sterowania lampami metalohalogenkowymi i sodowymi wysokoprężnymi o mocach 35 W, 50 W, 70 W, 100 W i 150 W. Zasilacze elektroniczne do LED OPTOTRONIC 3DIM przystosowane są do zasilania modułów LED. Przykład budowy statecznika POWERTRONIC przedstawiono na rysunku 1.

Rys. 1. Przykład konstrukcji statecznika POWERTRONIC 3DIM [2]

Stateczniki POWERTRONIC 3DIM charakteryzują się następującymi własnościami:

• wyposażone w szczelną plastikową obudowę do montażu w oprawie oświetleniowej,
• możliwość trzystopniowej regulacji strumienia świetlnego (3DIM),
• trwałość ≥ 60 000 h przy maks. temp. w punkcie tc (wskaźnik awaryjności < 8 %),
• zwiększone zabezpieczenie przepięciowe (do 4 kV),
• zabezpieczenie przeciwodgromowe do 10 kV,
• odporność na drgania zgodnie z EN/IEC 60598-1 pkt.4.20),
• są przystosowane do zasilania lamp o standardowych mocach i mają znormalizowany system zasilania lamp,
• konstrukcja umożliwia zastosowanie w oprawach oświetleniowych o klasach ochronności I i II

Stateczniki te przystosowane są do trzech systemów sterowania oświetleniem (3DIM): DALI, StepDim oraz AstroDim.

Cechy systemu sterowania DALI

• Sygnał sterujący DALI dociera do oprawy różnymi drogami (np. linią zasilającą (PLC), falami radiowymi, sygnałem GSM...).
• Statecznik PTo 3DIM jest sterowany sygnałem DALI®, który jest znormalizowany.
• System sterowania DALI® umożliwia otrzymywanie informacji zwrotnych o stanie systemu, np.: stanie pracy lampy lub statecznika (informacja o awariach), czasie pracy statecznika i źródła, jakie umożliwiają optymalizację systemu konserwacji oświetlenia.

Cechy systemu sterowania StepDim

• System ten zastępuje tradycyjne dławiki magnetyczne z odczepem służącym do skokowej zmiany mocy lampy (strumienia świetlnego).
• Możliwe jest wykorzystanie istniejącej instalacji elektrycznej i sterującej.
• Przewód sterujący „control phase” realizujący opcję zmiany mocy lampy podłączany jest bezpośrednio do statecznika.
• Konfiguracja sterowania może być zmieniana za pomocą programu.

Cechy systemu sterowania AstroDim

• Regulacja nie wymaga dodatkowych elementów sterujących ani dodatkowej instalacji sterującej.
• Automatyczna kontrola regulacji mocy jest oparta na aktywnym rocznym cyklu włączeń i regulacji mocy oświetlenia, zapisanym w wewnętrznym zegarze.
• Mikrokontroler kontroluje cykl redukcji mocy zapisany za pomocą parametrów wprowadzanych domyślnie lub indywidualnie.
• Możliwa jest realizacja kilku kroków redukcji mocy (stanów pracy).
• Parametry statecznika mogą być zmieniane indywidualnie za pomocą programu.

Zastosowanie elektronicznych zasilaczy do modułów LED w systemach sterowania oświetleniem zewnętrznym

Diody elektroluminescencyjne (LED) są coraz powszechniej stosowane w oświetleniu zewnętrznym, głównie ze względu na ich wysoką energooszczędność, która w obecnym czasie może dorównywać energooszczędności lamp metalohalogenkowych, długą trwałość, która przewyższa trwałość lamp wyładowczych i osiąga wartość 60 tys. - 100 tys. godzin, oraz wytwarzanie światła białego o wysokim wskaźniku oddawania barw (Ra >80).

W przypadku technologii LED stosowanej w oświetleniu zewnętrznym należy zwrócić uwagę, że w obecnym czasie oferowane są różnorodne rozwiązania tego typu. Jednak stosowanie profesjonalnych rozwiązań modułów LED i opraw LED przynosi rzeczywiste korzyści, ponieważ zastosowane moduły LED w oprawach oświetleniowych wymagają odpowiedniej konstrukcji układów optycznych, radiatorów i układów zasilających.

Odpowiednie zaprojektowanie wszystkich elementów składowych oprawy LED zapewnia uzyskanie wysokich parametrów świetlnych, eksploatacyjnych oraz funkcjonalnych.

Zasilanie LED ma decydujące znaczenie dla ich trwałości, skuteczności świetlnej oraz funkcjonalności. W przypadku elektronicznych zasilaczy do LED stosowanych w oświetleniu zewnętrznym jednym z najnowocześniejszych rozwiązań są układy umożliwiające sterowanie pracą diod elektroluminescencyjnych, podobnie jak w przypadku stateczników elektronicznych do lamp wyładowczych. Przykładem dobrego rozwiązania są zasilacze elektroniczne OPTOTRONIC 3DIM oferowane przez firmę OSRAM. Podobnie jak w przypadku stateczników elektronicznych POWERTRONIC 3DIM umożliwiają one sterowanie źródłami LED za pomocą trzech różnych obecnie dostępnych systemów sterowania.

Przykład konstrukcji zasilacza elektronicznego OPTOTRONIC 3DIM przedstawiono na rysunku 2.

Elektroniczne zasilacze OPTOTRONIC 3DIM przystosowane są do zasilania prądowego i napięciowego modułów LED.

Przykładem elektronicznego zasilacza prądowego może być OT 90/220-240/700 3DIMLT E (OPTOTRONIC 3DIM). Do głównych właściwości tego zasilacza można zaliczyć:

• duży zakres mocy wyjściowej aż do 90 W,
• interfejs 3DIM (StepDIM/AstroDIM/DALI),
• może być stosowany w oprawach oświetleniowych o klasie ochronności I i II,
• zakres natężenia prądu 75-700 mA,
• ochrona przed przepięciami 4 kV (L-N)/4 kV (L/N-PE),
• elastyczne ustawianie wartości prądu, całkowicie nadające się do programowania,
• możliwość ustawienia różnych trybów i poziomów strumienia świetlnego,
• niezależna funkcja regulacji strumienia świetlnego LED umożliwia pracę w istniejących instalacjach.

Przykładem elektronicznego zasilacza napięciowego może być OT 65/220-240/24 3DIM E (OPTOTRONIC 3DIM). Do głównych właściwości tego zasilacza można zaliczyć:

• zasilanie modułów LED 24 V,
• interfejs 3DIM (StepDIM/AstroDIM/DALI),
• może być stosowanych w oprawach oświetleniowych o klasie ochronności I i II,
• wysoka ochrona przed przepięciami >3 kV,
• elastyczne opcje ustawiania trybu i poziomu strumienia świetlnego,
• niezależna funkcja regulacji strumienia świetlnego LED umożliwia pracę w istniejących instalacjach.

Rys. 2. Przykład budowy zasilacza elektronicznego OPTOTRONIC 3DIM [2]

Wnioski

Stosowanie elektronicznych układów zasilających umożliwia przede wszystkim możliwość sterowania oświetleniem zewnętrznym. Wykorzystanie różnorodnych systemów sterowania znacznie rozszerza możliwość stosowania tych układów.

Rozwój konstrukcji diod elektroluminescencyjnych wymaga udoskonalania układów zasilających. W obecnym czasie źródło światła i elektroniczny układ zasilający tworzą spójny element oprawy oświetleniowej.

Oprócz możliwości sterowania oświetleniem, użytkownicy uzyskują długotrwały, energooszczędny i możliwie tani w eksploatacji system oświetleniowy.

Rozwój konstrukcji elektronicznych układów zasilających źródła światła jest w obecnym czasie stałym elementem rozwoju techniki świetlnej.

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas V Krajowej Konferencji naukowo-technicznej „Energooszczędne oświetlenie w miastach i gminach”. Kraków, 24 października 2013 r.

Literatura:

[1] Materiały techniczne firmy OSRAM, POWERTRONIC Technical Guide. Electronic Power Supplies for HID lamps.

[2] Katalog firmy OSRAM 2013.

[3] Wiśniewski A., Źródła światła, COSIW – monografie naukowo-techniczne, Warszawa 2013.

[4] High Intensity Discharge Lamps – Technical information on reducing the wattage, materiały techniczne firmy OSRAM.