به‌طور کلی انتخاب وسیله حفاظتی مناسب یک مدار، احتیاج به طراحی مناسب خود و رعایت یک‌سری الزامات دارد. و به همین سادگی نیست که به‌طور نمونه در یک منزل مسکونی برای تمامی مدارهای روشنایی، کلید مینیاتوری B10 را بر حسب عادت استفاده کنیم. شکل 1 به‌طور خلاصه الزامات طراحی و سایزینگ وسیله حفاظتی را بیان می‌کند:

شکل 1: نمودار جریانی جهت انتخاب وسیله حفاظتی مناسب

در اینجا قصد دارم در انتخاب وسیله حفاظتی مناسب مدار روشنایی به یکی از نکات مهم اشاره کنم. امروزه استفاده از لامپ‌های LED روز به روز در حال گسترش است و جدا از بحث هارمونیک‌زا بودن این لامپ‌ها، مشکل دیگری نیز دارند که احتمالا با آن برخورد کرده‌اید: به عنوان مثال می‌خواهید لامپ‌های هال (LED) را روشن کنید، ولی هیچ اتفاقی نمی‌افتد و لامپ‌ها خاموش هستند. وقتی که کلید مینیاتوری مدار را بررسی می‌کنید در کمال تعجب می‌بینید که قطع شده است!! 

چیزی که باعث شده این اتفاق بیفتد جریان‌های هجومی ناشی از درایور (راه‌انداز) لامپ‌های LED شما است که کلید مینیاتوری را قطع کرده است.

بیایید پیش از تحلیل این مسئله یک سری از مفاهیم را با هم مرور کنیم:

نحوه کارکرد لامپ LED:

لامپ Light Emitting Diode) LED) یک دیود نورافشان نیمه‌رسانا است که توان الکتریکی را به نور قابل استفاده تبدیل می‌کند. لامپ LED معمولاً از چندین LED استفاده می‌کند که به صورت شبکه در کنار هم نصب شده‌اند. لامپ‌های LED به منبع تغذیه خاصی نیاز دارند به نام درایور LED ، که ولتاژ AC را به ولتاژ DC مورد نیاز LED ها تبدیل می‌کند.

لامپ LED می‌تواند 138 لومن بر وات تولید کند. این مقدار بیش از دو برابر لومن بر وات (60) تولیدی لامپهای فلورسنت با بالاست مغناطیسی است. لامپ LED ده برابر نور، به ازای هر وات لامپ رشته‌ای دارد.

نورپردازی LED دارای چندین مزیت دیگر نسبت به نورپردازی فلورسنت است، از جمله عدم سوسو زدن در فرکانس 60 هرتز، حرارت تولیدی کمتر، امکان کنترل رنگ و روشنایی نور و هم‌چنین عمر بسیار طولانی. لامپ LED حداکثر 200000 ساعت، عمر دارد که 10 برابر لامپ فلورسنت است.

چالش جریان هجومی بالا:

درایور LED مانند هر منبع تغذیه‌ی دیگری، دارای خازن داخلی است. برای درایور LED معمولی، خازن‌ها پس از روشن شدن در زمان کمتر از یک میلی ثانیه شارژ می‌شوند. این شارژ سریع، باعث مصرف مقدار زیادی جریان می‌شود که می‌تواند 100 برابر جریان نامی در حالت کارکرد عادی راه‌انداز LED باشد. در مقایسه با روشنایی لامپ‌های قدیمی، جریان هجومی در یک لامپ رشته‌ای 6 برابر جریان نامی و در لامپ‌های فلورسنت با بالاست مغناطیسی 4 برابر جریان نامی است.

شکل 2: جریان هجومی

تاسیسات الکتریکی که در اکثر ساختمان‌ها نصب شده، برای شرایط روشنایی قدیمی‌تر طراحی شده بود که جریان هجومی بسیار پایینی داشتند. بروزرسانی سیستم روشنایی با لامپ‌های LED به دلیل جریان هجومی ذاتی درایور LED می‌تواند برای تجهیزات الکتریکی موجود مشکلاتی ایجاد کند. این امر می‌تواند منجر به خطای ناخواسته در کلیدهای مینیاتوری مدارها، ذوب شدن کنتاکت رله‌ها و خرابی دیمر شود.

مدار روشنایی با لامپ LED:

کلیه اجزای یک مدار روشنایی باید حداکثر جریان مجاز عبوری از مدار را تحمل کنند و این مقدار در یک ساختمان مسکونی معمولا مقدار 10 آمپر در ولتاژ 230 ولت می‌باشد. مقدار کل جریان عبوری (در حالت عادی) در یک مدار روشنایی با لامپ LED نیز به‌راحتی قابل محاسبه است.

در حالت عملی از جمع جریان نامی درایور هر LED، مقدار کل جریان مدار روشنایی به‌دست می‌آید. و به‌همین صورت نیز مقدار کل جریان هجومی لامپهای LED (لامپ‌ها به‌صورت موازی نصب شده باشند) از جمع جریان هجومی تک تک درایورها محاسبه می‌گردد.

تعیین اثر دقیق امپدانس مدار و مقاومت کابل کشی (یا سیم کشی) بر جریان مدار روشنایی خارج از محدوده مدل ماست. درک این نکته مهم‌تر است که وقتی چندین درایور LED به طور موازی بر روی همان مدار روشنایی نصب می‌شوند، باید جریان هجومی بیشتری را پیش‌بینی کرد.

در ساختمانهای قدیمی با توجه به محدودیت تجهیزات الکتریکی نصب شده، جریان بالای هجومی لامپ‌های LED هنگام تعویض لامپ‌های موجود به لامپ LED می تواند مشکل ساز باشد. از این رو نزدیک شدن به حداکثر تعداد درایور LED روی مدار روشنایی به‌خاطر جریان هجومی آنها، بسیار مهم است. هرچه ساختمان قدیمی‌تر باشد، این موضوع از اهمیت بیشتری برخوردار می‌شود.

آیا جریان هجومی لامپ‌های LED در یک مدار روشنایی قابل محاسبه است؟

در چند سطر بالا اشاره کردم که جریان هجومی کلی یک مدار روشنایی را می‌توان با جمع تک تک جریان هجومی هر یک از درایورها محاسبه کرد. با این حال، این گفته محاسبه‌ی دقیقی از نظر علم برق نیست. یعنی برای تعداد مشخصی درایور (N) که به طور موازی متصل هستند، جریان هجومی کلی دقیقاً N برابر جریان هجومی یک درایور یا N برابر زمان برقراری جریان هجومی برای یک درایور نیست. محاسبه دقیق جریان هجومی یک مدار بستگی به امپدانس هر درایور و امپدانس خط دارد.

امپدانس خط تأثیر معناداری بر مقدار و مدت زمان جریان هجومی دارد. نوع و اندازه درایور، سایز سیم، طول مدار و سایر دستگاه‌های موجود در مسیر مدار مواردی هستند که می‌توانند منجر به امپدانس بالا شوند. 

جریان هجومی و مدت زمان برقراری آن در یک درایور LED از  یک تولید کننده تا تولید کننده دیگر و از مدل به مدلی دیگر متفاوت است. از آنجا که مدت زمان برقراری جریان هجومی بسیار کم است، فقط به‌وسیله‌ی ابزارهای اندازه‌گیری پیشرفته‌ای که دارای میزان نمونه برداری بسیار بالا هستند می‌توان جهت رصد جریان هجومی استفاده کرد. 

به عنوان مثال برای راه انداز لامپ LED مدل Philips Model 9137012116، که دارای توان مصرفی 170 وات و جریان نامی 0.7 آمپر است، جریان هجومی برابر 130Amp برای مدت زمان 165 میکروثانیه می‌باشد. پیشنهاد می‌شود حداکثر 7 تا 10 عدد از این راه‌اندازها برای هر کلید مینیاتوری 20 آمپری از نوع C استفاده شوند، هر چند این تعداد به امپدانس مدار بستگی دارد.

برق یار مشاور شما در موضوع تاسیسات الکتریکی

اکثر کارخانه‌های معتبر در کاتالوگ محصولات خود، با توجه به کلید مینیاتوری مدار روشنایی، حداکثر لامپ LED قابل نصب را در هر مدار روشنایی بیان می‌کنند که نمونه آنرا در جدول شماره 1 می‌بینید. این‌ اطلاعات، جهت طراحی و بهره‌برداری از مدار روشنایی بسیار مفید هستند.

Model
B10
B16

C10
C16
D10

D16
HVGC-65
7
12
12
20
25
40
HVGC-100
3
5
5
8
10
17
HVGC-150
2
4
4
6
8
13
HVGC-240
2
4
4
7
9
15
HVGC-320
1
2
2
4
5
8
IDLC-25
27
43
45
72
50
80
IDLC-45
20
32
20
32
20
32

جدول شماره 1: حداکثر تعداد لامپ نصب شده در یک مدار با توجه به نوع کلید مینیاتوری - ارایه شده در کاتالوگ شرکت MEAN WELL

از کلیدهای مینیاتوری جهت حفاظت اضافه‌بار و اتصال کوتاه در مدار استفاده می‌شود. کلیدهای مینیاتوری از گرم شدن بیش از حد سیم و اتصالات آن قبل از آنکه آسیبی به مدار برسد محافظت می‌کنند. کلید‌های مینیاتوری با توجه به منحنی عملکرد (جریان - زمان) آنها طبقه‌بندی می‌شوند. این منحنی‌ها نیز از یک تولیدکننده تا تولیدکننده دیگر متفاوت است. ولی به‌طور معمول، کلید مینیاتوری نوع B دارای محدوده عملیاتی 3 تا 5 برابر جریان نامی، نوع C دارای محدوده عملیاتی 5 تا 10 برابر جریان نامی و نوع D دارای محدوده عملیاتی 10 تا 14 برابر جریان نامی است (حفاظت در برابر اتصال کوتاه که در مدت زمان حداکثر 0.4 ثانیه مدار را قطع می‌کنند). قطع شدن مدار روشنایی با روشن کردن لامپ‌های LED بستگی به مقدار جریان هجومی درایور لامپ‌ها و تحریک ناحیه قطع آنی کلید مینیاتوری مورد استفاده جهت حفاظت مدار دارد.

جهت تعیین نوع کلیدمینیاتوری یک مدار روشنایی، توصیه کلی استفاده از نوع C با بیشترین جریان نامی قابل استفاده است که با سایز سیم مدار همخوانی دارد.

به‌عنوان مثال در صورت استفاده از سیم با سایز 1.5 م‌م جهت تغذیه روشنایی از کلید مینیاتوری C10 و در صورت استفاده از سیم با سایز 2.5 م‌م از کلید مینیاتوری C16 استفاده شود.

نمونه عملی ثبت شده از جریان هجومی یک لامپ LED جهت درک بیشتر این پدیده در شکل شماره 3 نشان داده شده است.

شکل 3: نمونه عملی ثبت شده از جریان هجومی یک لامپ LED

حل مثال عملی:

فرض کنید می‌خواهید روشنایی یک محوطه را به‌وسیله 2 عدد لامپ ال‌ای‌دی 100 وات تامین کنید. تغذیه مدار به‌وسیله سیم 1.5 م‌م می‌باشد. جریان راه‌اندازی اولیه به‌صورت زیر خواهد بود:

100W ÷ 230V (primary input) = 0.43 (Amps) x 100 (inrush current) = 43A

یعنی هنگام روشن کردن لامپ‌ها، کلید مینیاتوری مقدار جریان 43 آمپر را می‌بیند. در صورتی که لامپ‌ها به‌صورت سری به هم وصل شده باشند، با توجه به منحنی عملکرد کلیدهای مینیاتوری، استفاده از کلید مینیاتوری C10 مناسب می‌باشد و در صورتی که لامپ‌ها به‌صورت موازی نصب شده باشند استفاده از کلی مینیاتوری D10 مناسب خواهد بود.

نتیجه‌گیری:

جریان هجومی لامپ‌های LED هنگام روشن شدن (حدود 100 برابر جریان نامی لامپ) آن، وقتی که لامپ‌ها به صورت موازی به هم وصل می‌شوند باعث به‌وجود آمدن مشکلاتی از جمله قطع شدن مدار به‌خاطر عمل کردن وسیله‌های حفاظتی آن، آسیب دیدن پلاتین و ترمینال‌های کلید و دیمرهای مدار روشنایی می‌شود. جهت جلوگیری از پیش آمدن این مشکلات بهتر است تا حد امکان تعداد کمتری از لامپ‌ها به صورت موازی با هم در مدار روشنایی قرار گیرند و هم‌چنین جهت حفاظت مدار روشنایی از کلید مینیاتوری نوع C استفاده شود.