Низковольтный быстродействующий предохранитель для драйверов светодиодов

Когда говорят про защиту светодиодных драйверов, часто думают, что главное — это номинал по току, и всё. Берут какой-нибудь стандартный плавкий вставок на 10А, ставят и успокаиваются. А потом удивляются, почему при пусковых бросках или коротком замыкании где-то на выходе драйвера сгорает не предохранитель, а сами силовые ключи или диодный мост. Вот тут и начинается понимание, что нужен не просто низковольтный предохранитель, а именно быстродействующий. И это не маркетинг, а физика процессов в импульсных схемах. Я сам долго не придавал значения скорости срабатывания, пока не накопал несколько сгоревших драйверов на складе — причина одна: тепловая энергия, которую не успел погасить медленный предохранитель, ушла в кристалл полупроводника.

Почему ?быстродействующий? — это не просто слово

Давайте разберемся с терминами. В драйверах, особенно современных, с коррекцией коэффициента мощности (PFC), токи имеют сложную форму. Там есть и высокочастотные составляющие, и пусковые броски, которые могут в 10-12 раз превышать номинальный рабочий ток. Обычный инерционный предохранитель воспринимает такой бросок как кратковременную перегрузку и не срабатывает. А вот кремниевый диод или MOSFET в силовой части — срабатывает, точнее, выходит из строя. Быстродействующий предохранитель, например, из серии для защиты полупроводников, рассчитан на другое. Его плавкая вставка — обычно серебряная или медная с особыми зонами диффузии — реагирует не на среднеквадратичное значение тока, а на I2t, то есть на интеграл от квадрата тока по времени. Проще говоря, на выделившуюся тепловую энергию. И срабатывает он за миллисекунды, не давая этой энергии дойти до защищаемой цепи.

Вот реальный случай из практики. Был у нас заказ на уличные светильники. Драйверы использовали топологию LLC, довольно надежную. Но на одном из объектов начался падеж — раз в неделю-две светильник тухнет. Вскрыли — предохранитель на входе цел, а сгорел силовой транзистор и обвязка. Оказалось, в сети были регулярные, но очень короткие помехи, вероятно, от соседнего промышленного оборудования. Обычный предохранитель их ?не замечал?, а полупроводники — замечали. Перешли на быстродействующие предохранители серии RSY — проблема исчезла. Кстати, эту серию, как и NGT, производит, например, ООО Сиань Суюань Электроприборы (сайт https://www.xasuyuan.ru). У них в ассортименте как раз те самые низковольтные предохранители для защиты полупроводников, о которых идет речь. Их продукция, судя по описанию, широко поставляется в сетевые и энергетические компании, что косвенно говорит об уровне.

Но и с быстродействующими не все просто. Есть нюанс — напряжение отключения. В драйвере после моста постоянное напряжение может быть под 400В, а в низковольтных цепях управления — 12-24В. И если предохранитель рассчитан на 500В, а ты его ставишь в цепь 24В, может возникнуть проблема с гашением дуги при срабатывании в высоковольтной части схемы. Нужно четко понимать, в какой точке схемы ты защищаешь. Для входной цепи (после моста) часто нужен предохранитель с высоким напряжением отключения, хоть он и называется низковольтным. А вот для защиты выходной цепи ШИМ-контроллера уже можно ставить низковольтный в прямом смысле.

Ошибки выбора и монтажа: что видел лично

Самая частая ошибка — ставят предохранитель, ориентируясь только на средний ток драйвера. Допустим, драйвер на 150Вт, вход 220В. Ток около 0.7А. Ставят предохранитель на 1А и думают, что запас есть. Но пусковой ток драйвера с PFC может быть 8-10А в течение нескольких миллисекунд. Быстродействующий предохранитель на 1А такого броска, скорее всего, не переживет — сработает при первом же включении. Нужно смотреть график времятоковой характеристики конкретного предохранителя. Хорошие производители дают подробные диаграммы. Нужно, чтобы точка ?пусковой бросок, 10А, 10 мс? лежала ниже кривой срабатывания предохранителя, а точка ?короткое замыкание, 100А? — выше и левее. Это искусство — найти баланс между защитой от КЗ и стойкостью к легитимным броскам.

Еще один момент — температурный режим. Быстродействующие предохранители очень чувствительны к нагреву от окружающих компонентов. Если поставить его вплотную к дросселю или диодному мосту, который греется до 80°C, то номинальный ток предохранителя нужно существенно понижать. Есть таблицы деградации. При 80°C некоторые модели могут держать только 60-70% от номинального тока. Игнорируешь это — получаешь ложные срабатывания в нормальном режиме работы. У нас был инцидент на сборке щитков освещения: предохранители срабатывали через час работы. Оказалось, их смонтировали над нагретыми клеммниками. Переразвели — все устаканилось.

И про пайку. Казалось бы, ерунда. Но если перегреть выводы быстродействующего предохранителя при пайке волной или даже ручным паяльником, можно изменить свойства плавкой вставки. Особенно это касается предохранителей с заполнением кварцевым песком. Перегрев может привести к локальному спеканию песка, изменению теплоотвода, и в критический момент предохранитель сработает не там, где нужно, или, наоборот, не сработает. Технологи из ООО Сиань Суюань Электроприборы в одном из техописаний прямо указывали на рекомендуемый температурный профиль пайки. Мелочь, но она решает.

Сравнение с другими типами защиты

Часто спрашивают: а зачем предохранитель, если есть автоматические выключатели (автоматы) в щитке? Или электронные схемы защиты в самом драйвере? Ответ в селективности и надежности. Автомат в щитке защищает группу светильников и кабель до них. Его время срабатывания — десятки-сотни миллисекунд. За это время драйвер уже сгорит. Встроенная электронная защита — штука хорошая, но она сама может выйти из строя, и к тому же требует питания для работы. А низковольтный быстродействующий предохранитель — устройство пассивное, чисто тепловое и электромеханическое. Никакой электроники. Его надежность близка к абсолютной, если он правильно подобран. Это последний рубеж, который должен сработать, когда все остальные системы защиты отказали.

Еще одно сравнение — с варисторами и ограничителями перенапряжений (ОПН). Это разные вещи. ОПН защищает от высоковольтных импульсов (гроза, коммутация), а предохранитель — от сверхтоков. Они часто работают в паре. Скачок напряжения варистор подавит, но если он будет продолжительным и вызовет рост тока, то в дело вступит предохранитель, отключив цепь и спасая варистор от теплового разрушения. Кстати, ООО Сиань Суюань Электроприборы, судя по описанию, производит и те, и другие изделия, что логично — комплексный подход к защите.

Бывают и гибридные решения — предохранители с индикацией срабатывания или даже с дистанционным сигнальным контактом. В больших системах, например, в уличном освещении целого района, это может быть полезно для оперативного обнаружения неисправности. Но для рядового драйвера в светильнике — это излишество. Главное — скорость и точность срабатывания по I2t.

Практические рекомендации по подбору

Итак, как же выбрать? Из своего опыта вывел примерный алгоритм. Первое — определяемся с местом установки в схеме: до моста (переменный ток) или после (постоянный). От этого зависит тип. Для постоянного тока, особенно в системах с фотоэлектрическими панелями, есть специальные серии, вроде SYPV у упомянутой компании. Там свои особенности с гашением дуги.

Второе — смотрим максимально возможный ток короткого замыкания в этой точке. Он определяет требуемую отключающую способность предохранителя. В низковольтных цепях 220В она может быть 6кА или 10кА. Предохранитель должен ее гарантированно отключить. Серии типа RT16 (NT) как раз с высокой отключающей способностью.

Третье, и самое кропотливое — анализ реального рабочего тока и всех возможных бросков. Берем осциллограф с токовыми клещами, снимаем форму тока при пуске, при работе на максимальной нагрузке, при скачках сетевого напряжения. Вычисляем или оцениваем I2t для этих режимов. Затем идем к каталожным графикам выбранной серии предохранителей (например, RSY) и смотрим, чтобы рабочие точки лежали в безопасной зоне, а точка КЗ — в зоне гарантированного срабатывания.

Четвертое — проверяем температурный режим. Если место ?горячее?, применяем коэффициент снижения номинала.

И последнее — никогда не ставьте ?на пробу? предохранитель большего номинала, если штатный перегорает. Ищите причину. Возможно, проблема не в бросках, а в неисправности самого драйвера, и вы просто маскируете ее, рискуя пожаром.

Вместо заключения: мысль вслух

Работая с этим много лет, пришел к выводу, что низковольтный быстродействующий предохранитель для светодиодных драйверов — это такой же важный компонент, как и конденсатор или микросхема. Его нельзя рассматривать как ?дешевую железяку на всякий случай?. Это точный, инженерный элемент. Его неправильный выбор сводит на нет всю работу по разработке надежной схемы драйвера. Сейчас, глядя на рынок, вижу, что многие сборщики светильников стали это понимать. Чаще спрашивают не просто ?предохранитель на 5А?, а ?быстродействующий для защиты IGBT в корректоре?. И это радует. Значит, опыт, набитый шишками (и сгоревшими образцами), не только мой. И когда видишь в спецификациях компаний вроде ООО Сиань Суюань Электроприборы целые линейки таких специализированных изделий, понимаешь, что спрос рождает предложение. Главное — не останавливаться на полпути и не ставить первый попавшийся вставок, а разбираться. Тогда и драйверы будут жить долго, и репутация — цела.