Ledivalaisimet maksavat itsensä nopeasti takaisin, mutta se edellyttää oikein tehtyä laitesuunnittelua. Valaisimet pitää suojata virta- ja jännitepiikeiltä ja suojausmoduulien vaihtamisen tarve pitää pystyä ilmaisemaan huoltohenkilöstölle.
| Artikkelin ovat kirjoittaneet Littelfusen Henry Yu ja Johnny Chang. Henry Yu tuli Littelfusen palvelukseen vuonna 2011. Tällä hetkellä hän toimii yhtiön elektroniikan liiketoimintayksikön teknisestä markkinoinnista vastaavana vanhempana suunnittelijana. Hänellä on tutkinnot Taiwanin kansallisesta yliopistosta. Johnny Chang tuli Littelfusen palvelukseen varistorituotteiden tuotepäälliköksi vuonna 2008. Tällä hetkellä hän vastaa varistorituotteiden uusista kehityspoluista. Johnnyllä on elektroniikkatutkinto Oriental Institute of Technologystä. Hänellä on varistorien suunnittelusta ja kehityksestä 10 vuoden kokemus. |
Öljylamput ja kynttilät olivat ulkovalaistuksen ensimmäisiä muotoja, mutta teollisen vallankumouksen myötä ne korvattiin suurelta osin hiilikaasu-, öljykaasu- tai kerosiinilampuilla. 1800-luvun lopulla esitelty hiilikaarilamppu oli ensimmäinen sähkövoimainen katulamppu. Useimmissa kaupungeissa siirryttiin kuitenkin nopeasti uudempiin tekniikoihin jotka toivat lempeämmän valon, kestivät pidempään ja vaativat vähemmän ylläpitoa. Näihin tekniikoihin kuuluivat hehku- ja kaasupurkausvalot, kuten elohopealamppu, monimetallilamput ja natriumpurkauslamput. Tänä päivänä, kun ledilampuista on tullut yhä energiatehokkaampia ja ovat lämmönjohto-ominaisuuksiltaan parempia, ne ovat enenevässä määrin korvaamassa nämä vanhat katuvalojen tekniikat.
Ledikatuvalojen asennus voi olla hyvin kallis hanke mille tahansa kaupungille. Päättäjien täytyy pystyä oikeuttamaan investointi niin, että panostus maksaa itsensä takaisin kohtuullisessa ajassa ledin alhaisemman tehontarpeen, pienempien ylläpitokustannusten ja pidemmän toiminta-ajan myötä.
Noin kolmasosa ledivalojen lupaamista säästöistä on seurausta lamppujen pidemmästä elinajasta. Niiden potentiaalisesti pienemmät ylläpitokustannukset ovat keskeisessä asemassa, kun niiden pitkän aikavälin kustannusetuja varmistetaan. Ennenaikaisia pettämisiä vastaan – erityisesti virtapiikeistä johtuvia – kestävyys ja luotettavuus ovat kriittisessä asemassa.
Kuva 1. Joissakin kaupungeissa korjaustiimeiltä voi kestää kuukausia hoitaa katuvalojen pettämisiä. Siirtyminen pitkäikäisiin ledilamppuihin voi merkittävästi alentaa ylläpitokustannuksia. Samalla niin jalankulkijoiden kuin autoilijoidenkin turvallisuus paranee.
Viimeisen kymmenen vuoden aikana yhä useammassa kaupungissa on siirretty kaasupurkausvaloista ledikatuvaloihin. Yhdysvalloissa energiaministeriön MSSLC-katuvalo-konsortion (Municipal Solid-State Street Lighting Consortium), CCI-ilmasto-ohjelma (Clinton Climate Initiative) ja kansallinen energianhallinan ohjelma (FEMP, Federal Energy Management Program) kehittivät yhdessä katu- ja pysäköintialueiden valaistuksen uusimisen kustannuksia arvioivan työkalun (tästä lisää osoitteessa http://www1.eere.energy.gov/buildings/ssl/financial-tool.html).
Seattlen valaiseminen
Vuodesta 2010 lähtien Seattlen kaupungin katuvalo-osasto on pikkuhiljaa korvannut 1980-luvun puolivälissä asennettuja kaasupurkausvaloja ledilamppuihin. Seattlen päätös perustui useaan tekijään:
- alhaisemmat energiakustannukset: kaupungin arvion mukaan katuvalojen sähkölasku pienenisi 48-62 prosenttia
- pienemmät kasvihuonepäästöt: ledien ympäristöystävällisemmät tuotantomenetelmät sekä huoltokäyntien määrän väheneminen vähentäisivät arvion mukaan 200 000 tonnia hiilipäästöjä vuodessa
- pidempi käyttöikä: ledilamput kestävät 3-4 kertaa pidempään kuin kaasupurkauslamput
- immunitetti tärinää kohtaan: kuorma-autojen ja tierakenteiden tärinä ei vaikuta ledilamppuihin
- parantunut turvallisuus: toisin kuin kaasupurkausvalojen kellertävä valo, ledilamput tuottavat valkoisempaa, viileämpää valoa, joka parantaa kuljettajien syvyys- ja reuna-alueiden näkemistä, mikä osaltaan pienentää kolareiden riskiä
- MSSLC-konsortion analyysityökalun laskelmien perusteella katuvalojen vaihtaminen ledeihin maksaisi itsensä takaisin 7,7 vuodessa
- jatkuvat säästöt: kun kaikki lamput on vaihdettu ledeihin, Seattlen kaupunki säästää arvion mukaan 2,4 miljoonaa dollaria vuotuisissa sähkö- ja ylläpitokustannuksissa
Kestävän kannattavuuden varmistaminen
Salamaniskut ovat sähköstaattisia purkauksia, jotka yleensä kulkevat pilvestä pilveen tai pilvestä maahan miljoonien volttien vahvuisina. Epäsuorat salamaniskut, jotka tapahtuvat jopa useiden kilometrien päässä, voivat synnyttää magneettikenttiä jotka generoivat jopa tuhansien volttien purkauksia sähkövirtaa kuljettavissa kuparilinjoissa, kuten katuvaloja sähköistävissä ilma- tai maasähkökaapeleissa. Nämä epäsuorat iskut voivat tuottaa yli 1000A2 virtoja.
Epäsuora salaman energia voi vaikuttaa lediulkovaloihin haitallisesti. Valaistuksen varmistaminen ja ylläpitokustannusten vähentäminen edellyttää, että ledikatuvalot suojataan. Suojaus jännitevaihteluja vastaan on keskeistä, jotta voidaan eliminoida sähkökenttien aiheuttamat vauriot. Valaisimet ovat alttiita sekä differentiaalisille että yleisille sähkövioille:
- differentiaalinen vaurio: suuret jännite- tai virtavaihtelut valaisimen L-N- tai vaihe-vaihe-kytkennöissä voivat vaurioittaa ledimoduulikortin tai teholähteen komponentteja
- yleinen vaurio: suuret jännite- tai virtavaihtelut vaihe-maa- (L-G) tai nolla-maa (N-G) -kytkennässä voi rikkoa teholähdeyksikön tai ledimoduulin kortin suojauseristyksen, aina ledin ja jäähdytyselementin välistä eristystä myöten
Valaistustaajuuden alueellisten vaihtelujen pitäisi ohjata suojauspiirimoduulin valintaa kussakin sovelluksessa. Yhdysvalloissa tehtyjen salamaniskutilastojen perusteella IEEE:n standardi C62.41.2 suosittelee testikriteerit aaltomuodoille ja energiatasoille sekä sisä- että ulkotiloissa. Kun USA:ssa määriteltiin testausstandardeja, nämä IEEE-suositukset siirrettiin ANSI C136.2-määrityksiksi energiaministeriön toimesta.
Energiaministeriön MSSLC-konsortio on kehittänyt mallimääritykset, jotka takaavat että tienvarsien ledivalot ja pysäköintilaitosten ja autotallien ledivalot on suojattu riittävästi kestämään epäsuorien salamaniskujen energia. Kaupungit, kunnat ja sähkölaitokset Pohjois-Amerikassa ottavat nämä määritelmät huomioon pyytäessään tarjouksia katuvalojen muuttamisessa ledipohjaisiksi.
Ulkoledivalojen suojaaminen salamaniskuilta vaatii korkean jännitteen ja suuren virranvaihtelujen ohjaamista pois valaisimen herkästä elektroniikasta. Ulkoledivaloissa käytetään erilaisia SPD-piirejä (surge protective devices) pienentämään aaltoenergiaa ja minimoimaan sen vaikutuksia. Ledivalaisinten valmistajat luottavat valikoimaan SPD-piirejä, kuten tarkkaan valitut sulakkeet, metallioksidivaristorit (MOV) ja jännitevaihtelujen suojausdiodit (TVS, transient voltage suppression), joiden avulla tärkeisiin lainsäädännön ja turvallisuusstandardien vaatimuksiin vastataan.
Katuvalon suojauspiirin osat
Kestävä virtapiikkien suojauspiiri on keskeisessä asemassa, kun halutaan estää virtapiikkien aiheuttamia vaurioita, parantaa luotettavuutta, minimoida ylläpidon tarve ja pidentää ledivalaisimen käyttöikä. Kuva 2 näyttää ne eri elementit, jotka katuvalon suojauspiiristöön yleensä sisällytetään.
Kuva 2. Ledikatuvalon suojauksen elementit.
Modulaarinen vai teholähteeseen integroitu?
Sähkölinjoihin tulevat virtapiikit voivat helposti vaikuttaa ulkovaloihin. Vaikka joissakin ledilampuissa on teholähteeseen integroitu jännitesuoja, suojauspiirien valmistajat suosittelevat usein, että suojapiiri pidetään erillään teholähteestä. Tämän ansiosta valaisinvalmistaja voi markkinoida samaa laitetta eri markkinoille, joilla suojaustasovaatimukset ovat erilaisia esimerkiksi salamatiheyden takia.
MOV-piirejä (metallioksidivaristorit) käytetään laajasti suojauksessa niiden nopean vasteajan, korkeiden jännitepiikkien hallinnan, kompaktin koon ja kustannustehokkuuden takia. MOV-varistorit kuitenkin alkavat heikentyä sen jälkeen, kun niihin kohdistuu tietty määrä virtapiikkejä, eivätkä ne enää tuota samaa suojaa kuin uutena. Jos laitteessa on erillinen jännitesuojamoduuli, se on helpompi vaihtaa kun alkuperäisen moduulin käyttöaika loppuu.
Lämpösuojatut varistorit
MOV-tekniikka on edullinen ja tehokas tapa suojautua virtapiikeiltä teholähteissä ja muissa sovelluksissa, kuten SPD-moduuleissa, jotka sijoittuvat ennen lediajuria. Ne on suunniteltu puristamaan ylijännitepiikit mikrosekunneissa, mutta SPD-moduuliin integroituna MOV-piiri altistuu hetkellisille ylijännitteille maadoittumisen kadotessa tai viallisten johdotusten takia. Nämä viat rasittavat varistoria niin, että seurauksena voi olla ylikuumentuminen ja jopa syttyminen. Pohjois-Amerikan virtasuojien turvallisuusstandardit – kuten UL 1449 - määrittelevät epätyypilliset olosuhteet, joissa SDP-laitteet pitää testata niiden turvallisuuden varmistamiseksi. Kestävissä SPD-suunnitteluissa on aina lämpökatkaisu MOV-varistoreita suojaamassa.
Kuten aiemmin mainittiin, MOV-varistorit heikkenevät tasaisesti sen jälkeen kun niihin kohdistuu virtapiikkejä. Tämä lisää MOV-osan vuotovirtaa. Jopa normaaleissa olosuhteissa (120/240 voltin jännitteillä) tämä lisää varistorin toimintalämpötilaa. Lämpökatkaisua (kuva 3) varistorin vieressä voidaan käyttää aistimaan sen noussut lämpötila komponentin suorituskyvyn heikentyessä. Kun varistori tulee käyttöaikansa päähän, lämpökatkaisu avaa piirin, poistaa heikentyneen varistorin piiristä ja estää sen ja koko laitteen pettämisen kokonaan.
Kuva 3. Lämpökatkaisu voi avata piirin kytkennän ja estää heikentyneen varistorin pettämisen.
Korvaamisen tarpeen ilmaiseminen
Kun lämpökatkaisu poistaa varistorin piiristä, suojausmoduuli ei enää pidä virtapiikkejä kurissa. Siksi on tärkeää, että huoltohenkilöstö saa nopeasti ja helposti tiedon siitä, ettei moduuli enää toimi ja että se kaipaa vaihtamista.
Valaisinvalmistajat voivat valita kahdesta SPD-moduulin päätyypistä oman ylläpitostrategiansa mukaan: suojausalijärjestelmä voi olla liitetty rinnan tai sarjaan.
- Rinnakkainen liitäntä: SPD-moduuli on liitetty rinnan kuorman kanssa (kuva 4a). Elinkaarensa päähän tullut moduuli on kytketty pois teholähteestä, mikä jättää AC7DC-teholähteen kytketyksi. Valaistus pysyy toiminnassa, mutta teholähde ja ledimoduuli jäävät vaille suojaa seuraavan piikin sattuessa. Rinnakkain kytketyssä SPD-moduulissa korvaamisen tarve voidaan ilmaista lisäämällä pieni ledi, joka ilmaisee SPD-moduulin tilan huoltoteknikolle. Vihreä valo voi ilmaista SPD-moduulin olevan toiminnassa ja punainen sen ikääntyneen (eli poiskytkeytymisen). Jokaiseen lamppuun integroitavan ledi-ilmaisimen sijaan voidaan SPD-moduuli liittää langallisesti älykkääseen valaisinverkkoon, jolloin tieto korvaustarpeesta tulee keskukseen.
- Sarjaliitäntä: SPD-moduuli on liitetty sarjaan kuorman kanssa (kuva 4b). Elinkaarensa päähän tullut SPD-moduuli kytkeytyy pois teholähteestä, mikä sammuttaa valon. Sähkön katkeaminen valaisimesta kertoo huollolle korvaamisen tarpeesta. Sen lisäksi, että irtikytkeytynyt SPD-moduuli sammuttaa valon, se myös eristää AC/DC-teholähteen tulevien piikkien varalta. Tämän konfiguraation suosio kasvaa nopeasti, koska sen avulla valaisininvestointi pysyy suojattuna sen aikaa, kun SPD-moduuli odottaa vaihtoaan. On selvästi edullisempaa vaihtaa sarjaan kytketty SPD-moduuli kuin koko valaisin kuten rinnan kytketyn SPD-moduulin tapauksessa.
Kuva 4. SPD-moduuli, joka on kytketty valaisimeen rinnan (a) ja moduuli, joka on kytketty valaisimeen sarjaan (b).
Lopuksi
Ledivalaisininvestoinnin kannattavuuden varmistaminen täytyy lähteä siitä, että määritellään laitteisto jolla valaisin suojataan virtapiikkejä vastaan. Tämä pitää sisällään SPD-moduulin asentamisen lediteholähteen eteen, joka tuo tehokkaan suojan valaistusjärjestelmälle. Lämpökatkaisujen sijoittaminen moduuleihin parantaa niiden turvallisuutta ja auttaa niitä täyttämään erilaiset turvallisuusvaatimukset (kuten UL 1449 Pohjois-Amerikassa). Jotta valaisininvestointi maksaisi itsensä takaisin nopeasti, järjestelmien suunnittelijoiden täytyy sisällyttää niihin mekanismit, jotka ilmaisevat milloin SPD-moduuli vaatii vaihtamista.
Ulkoledivalojen suojaaminenUlkoledilamppujen kestävä suojaaminen virtapiikeiltä ehkäisee vaurioita, parantaa valojen luotettavuutta, vähentää ylläpidon tarvetta ja pidentää valaistuksen käyttöikää. Suojausalijärjestelmä, joka vaimentaa piikit alhaisemmaksi jännitteeksi on ihanteellinen tapa suojata oma ledivaloinvestointi. Littelfusen LSP05- (kuva 5) ja LSP10-suojauspiirit (kuva) on suunniteltu suojaamaan valaisimia virtapiikeiltä ja pienentämään ylläpitokustannuksia tuottamalla reaaliaikainen tieto siitä, kun SPD-moduuli (Surge Producton Device) pitää vaihtaa. Moduulien avulla virtapiikit pysyvät kurissa. Niiden sisäänrakennettu lämpökatkaisutoiminto tuo lisäsuojaa katastrofaalisten vaurioiden ja tulipalojen sattuessa, jopa äärimmäisissä olosuhteissa, joissa varistori tulee toiminta-aikansa päähän tai laitteeseen kohdistuu pitkäaikainen ylijännite. Rinnan yhdistetyissä moduuleissa ilmaisinlanka voi aktivoida ledin kertomaan huoltohenkilöstölle, milloin SPD-moduuli pitää vaihtaa. Näin varmistetaan, että valaisin pysyy suojattuna. LSP10:n sarjaan kytketty versio katkaisee valaisimen virran, mikä näyttää selvästi että SPD-moduuli pitää vaihtaa.
LSP05-sarjan suojausmoduulit konfiguroidaan rinnakkaisin liitännöin.
LSP10-moduulit voidaan liittää jokon rinnan tai sarjaan. Sarjaanliitettävä versio on maailman ensimmäinen sarjakytkentäinen suojausmoduuli, joka pystyy käsittelemään jopa 20 000 ampeerin virtapiikkejä. LSP05- ja LSP10-moduulien sovelluskohteisiin kuuluvat kaupalliset ja ulkoledivalaisimet, kuten rautateiden valot, liikennevalot, digitaaliset näyttötaulut, huoltosisäänkäyntien valaistukset, pysäköintihallien valaistukset, sekä erilaiset tunneli- ja katuvalaistukset. |
Suuren nopeuden Ethernet-muuntajien tulee täyttää nykyaikaisille, tehokkaille verkkolaitteille asetetut vaatimukset. Niiden tehtävänä on turvata luotettava ja varma datansiirto, optimoida signaalin laatu ja tehostaa verkon yleistä suorituskykyä ja kapasiteetin hyödyntämistä.
