Feszültségesés a LED szalag gerincvezetékén

Példa:

Ha van egy DC 12 Voltos stabilizált kimenetet biztosító tápegységünk, legyen 500 Wattos – és kialakítok egy 1,5mm² keresztmetszetű gerincvezetéket és mérem a gerincvezeték túlsó végén a feszültséget. Akkor azt tapasztalom, hogy minél több fogyasztót kötök rá először 50 Wattot, majd 100, 150, 200 Wattosat, akkor a mért feszültség egyre csökken 12 Voltról 11, majd 10 Voltra.

A kép csak egy recraft fantázia, hogy jobb kedvre derítsen mielőtt belevágsz ennek a posztnak az olvasásába. 😀

Ismerjük meg, hogy milyen hatással van a fogyasztók növelése a gerincvezetékre?

 

Ez a jelenség, amit tapasztalhatunk, azaz a feszültségesés, amely elsősorban a gerincvezeték ellenállásából és a megnövekedett áramfelvételből adódik. Nézzük meg részletesen az okokat és hatásokat:

1. A vezeték ellenállása és Ohm törvénye

• Minden vezeték rendelkezik egy bizonyos értékű ellenállással. Ez függ a vezeték anyagától, azaz annak egy adott fajlagos ellenállásától (például a rézvezeték értéke: 0,0175 Ω⋅mm²/m), a vezeték hosszától és keresztmetszetétől.
• Amikor áram folyik a vezetéken, az ellenállás miatt feszültségesés (U=I⋅R) lép fel.

2. Több fogyasztó hatása

• A több fogyasztó párhuzamosan csatlakozik a gerincvezetékhez, így az összteljesítmény növekedésével az áramfelvétel is növekszik (I=P/U).
• Az áram növekedése miatt a vezeték ellenállásán kialakuló feszültségesés is nő, és ez a kimeneti feszültség csökkenésében jelentkezik.

3. A tápegység hatása

• Ha a tápegység nem tud elegendő áramot biztosítani, vagy túlterhelt, akkor maga a tápegység is okozhat feszültségcsökkenést. Azonban a példában 500 W-os tápegységnél ez valószínűtlen tényező, mivel a terhelés (pl. 200 W) a névleges teljesítményen belül marad.

4. A vezeték keresztmetszetének hatása

• Az 1,5 mm²-es keresztmetszet nem túl nagy, különösen hosszabb vezetéknél. Ez azt jelenti, hogy a vezeték ellenállása jelentős lehet, és a nagyobb áramfelvétel miatt számottevő feszültségesés alakul ki.

Példa számítás

Tegyük fel, hogy a vezeték hossza 10 méter ami oda-vissza 20 méter, réz anyagból készült (ρ=0,0175 Ω⋅mm²/m):

1. Ellenállás számítása: R=ρ⋅L/A R=0,0175⋅20/1,5 azaz R = 0,233 Ω
2. Áram egy 200 W-os fogyasztónál: I=P⋅U I=200⋅12 azaz I = 16,67 Amper
3. Feszültségesés: ΔU=I⋅R ΔU=16,67⋅0,233 ΔU≈3,89 V.
4. Így a kimeneti feszültség 12−3,89=8,11 V lehet – ami nagyon rossz elméleti érték egy 12 Voltos LED szalag esetében.

5. Hatások a fogyasztókra

• A fogyasztók által elérhető teljesítmény csökken, mert a feszültség csökkenése miatt a P=U⋅I képlet szerint a teljesítmény is kisebb lesz.
• Elektronikus eszközöknél a működés instabillá válhat, mivel a csökkent feszültség nem elegendő az áramkörök működtetéséhez. A LED szalag esetében a LED-ekre jellemző nem lineáris feszültségáram karakterisztika miatt a kiszámolt feszültség magasabb lehet, mivel a feszültség csökkenésével a LED áramfelvétele is csökken, így kisebb áramnak kell átmenni példa szerinti 10 méteres vezetéken, így a feszültség csökkenés is kisebb lesz, de ez ettől még továbbra is kedvezőtlen lesz a világítási rendszerünkre.

Megoldások a problémára

1. Vezeték keresztmetszetének növelése: Nagyobb keresztmetszet csökkenti a vezeték ellenállását, így kisebb lesz a feszültségesés.
2. Rövidebb vezeték: A vezeték hosszának csökkentésével arányosan csökken az ellenállás.
3. Tápegység decentralizálása: Ha lehetséges, közelebb helyezd el a tápegységet a fogyasztókhoz.
4. Feszültségkompenzálás: Olyan tápegység, amely képes kompenzálni a feszültségesést (pl. 13-14 V-ra állítva a kimeneti feszültséget).

Ezekkel a lépésekkel minimalizálhatod a feszültségesés mértékét, és stabilabb működést érhetsz el.

Ez a probléma azt is eredményezi, hogy a gerincvezetéken az egyre távolabb lévő fogyasztók egyre inkább elmaradnak a névleges fogyasztási értéktől. Hiszen a kapott feszültség is csökken.

A probléma a következő módon alakul ki:

1. Feszültségesés távolságfüggése

• A gerincvezetéken áramló áram miatt a vezeték ellenállásán feszültségesés lép fel, amely arányos a vezeték hosszával.
• Az egyre távolabbi fogyasztók alacsonyabb feszültséget kapnak, mivel a feszültségesés additív módon halmozódik az egyes szakaszokon.

2. A fogyasztók viselkedése

• Sok fogyasztó (például motorok, LED-ek, elektronikus eszközök) a névleges működéséhez meghatározott feszültséget igényel. Ha a feszültség csökken:
  • Teljesítménycsökkenés: A teljesítmény P=U⋅I összefüggés szerint csökken.
  • Instabil működés: Elektronikus eszközök nem megfelelő feszültségnél működési hibát mutathatnak.
  • Nemlineáris fogyasztók: Az ilyen eszközök nemlineárisan reagálnak a feszültségcsökkenésre, ami tovább növelheti a rendszer instabilitását.

3. A névleges fogyasztási érték csökkenése

A feszültségcsökkenés miatt:

• Ohmos fogyasztók (pl. ellenállások): A felvett áram és ezzel együtt a teljesítmény arányosan csökken, mivel I=UR és P=U²/R .
• Kapacitív vagy induktív fogyasztók (pl. motorok): Ezek érzékenyebbek a feszültségesésre, és akár le is állhatnak vagy csökkentett hatékonysággal működnek.
• Feszültségszabályozott eszközök (pl. LED-ek): A LED-ek áramfelvétele a feszültségeséssel csökken, mivel a LED-ek nemlineáris karakterisztikája miatt alacsonyabb feszültségen kisebb áram folyik át rajtuk. Egy bizonyos küszöbfeszültség alatt pedig az áram szinte teljesen megszűnik, ami a fényerő drasztikus csökkenéséhez és megszűnéséhez vezet.

4. A probléma erősödése a távolsággal

• Az egyes fogyasztók áramfelvétele hozzáadódik a gerincvezetéken áthaladó teljes áramhoz, így a távolabbi szakaszokon egyre nagyobb a feszültségesés, ami az ott lévő fogyasztók működését különösen érinti.

5. Megoldási lehetőségek

• Helyi elosztók: Az egyes távoli fogyasztók közelében külön kisebb tápegységek elhelyezése.
• Vastagabb vezeték: A keresztmetszet növelése csökkenti a vezeték ellenállását, mérsékelve a feszültségesést.
• Feszültségnövelés a gerincvonalon: Ha a tápegység lehetővé teszi, kissé magasabb feszültség (pl. 13-14 V) beállítása csökkentheti a távolabbi fogyasztók feszültséghiányát.
• Szabályozott fogyasztók: Olyan eszközök használata, amelyek szélesebb feszültségtartományban képesek megfelelően működni.

Ezért nagyon fontos a rendszer tervezésekor figyelembe venni a vezeték ellenállását, a terhelések eloszlását, és a teljesítményigényt, különösen hosszabb gerincvezetékek esetén.

Egyszerűsítve:

Ha van egy hosszú vezetékem (20méter) és annak a túlvégén mérem a feszültséget, akkor amikor nincs rajta fogyasztó, akkor megegyezik a táp kimenő 12 Voltjával. Ahogy kezdem növelni rajta a fogyasztók teljesítményét, úgy emelkedik az áramigény, és a növekvő áram számára úgy lesz egyre szűkösebb a vezeték-keresztmetszet. Azaz az egyre szűkebb keresztmetszet miatti vezeték-ellenállás feszültségesést eredményez. Tehát a vezeték-ellenállás bármekkora is a rákötött fogyasztó az adott és nem változik, de a növekvő áram következtében a túlvégi feszültség csökkenni fog.

A feszültségesés számításoknál oda-vissza kell mérni a hosszt.

Elég banálisan hangzik, de jobb megjegyezni. Pl. Van egy kéteres a vezetékem 2×1,5mm² keresztmetszetű, hiszen egyik a +12V a másik a GND és 20 méteres a vezetékem, de ekkor 40 méter 1,5mm² vezeték ellenállással kell számolnunk.

Ez csak azért lehet elgondolkoztató, mert az RGB szalagoknál a 4-eres vezetéket úgy telepítik, hogy mind a 4 vezeték azonos keresztmetszetű, mert van +12V, Red GND, Green GND, és Blue GND. Bizonyos esetekben a +12V vezetéke a gyenge láncszem lehet a rendszerben. Oké, ha olyan a vezérlő, hogy a kevert színeket amikor mixeli, akkor a PWM vezérlésen keresztül csökkenti a teljesítmény, hogy a kevert színek ne legyenek fényesebbek, mint a 3 alapszín, de ha a vezérlő nem ilyen, akkor a +12V, azaz a közös anód vezeték szűk keresztmetszetnek fog bizonyulni. Ha a vezérlő mixelés közben nem veszi lejjebb az egyes színcsatornák teljesítményét, akkor a+12V-ot vezetékét 2x vagy esetleg 3x akkora keresztmetszettel kellene telepíteni, mint a színcsatornákét. És akkor még meg sem említettem az RGBW, vagy RGBCCT LED szalag rendszereket, ahol ez a probléma még fokozottabban létezik.

1. Az RGB szalag vezeték-terhelése

Az RGB LED szalagoknál a +12 V közös anód valóban kritikus pont, mert:

• A +12 V vezetéken az összes színcsatorna áramának összege folyik át. Ez azt jelenti, hogy ha egyszerre használod például a vörös, zöld és kék csatornát (pl. fehér szín keveréséhez), akkor a +12 V vezetéken az összes áram összeadódik, míg az egyes színek GND vezetékén csak az adott színhez tartozó áram folyik.

2. PWM vezérlés szerepe

• Ha a vezérlő PWM (pulzusszélesség-moduláció) segítségével szabályozza a kevert színeket, az a csatornák áramfelvételét csökkentheti, mivel nem minden csatorna dolgozik folyamatosan teljes terheléssel.
• Ha azonban a vezérlő nem optimalizálja a kevert színeket (pl. ha maximális intenzitású RGB keverésnél mindhárom csatorna 100%-on működik), akkor a +12 V vezeték könnyen „szűk keresztmetszet” lehet, mivel a rajta folyó áram háromszor akkora is lehet, mint egy-egy színcsatornán.

3. RGBW és RGBCCT rendszerek

Az RGBW (RGB plusz fehér) és RGBCCT (RGB plusz hideg-meleg fehér) rendszereknél ez a probléma még hangsúlyosabb lehet:

• Az extra fehér csatorna (vagy kettő a RGBCCT esetében) növeli a teljes áramfelvételt.
• Ezért a közös +12 V vezeték terhelése tovább nő, még kritikusabbá téve a keresztmetszet növelését. Igaz, hogy a vezérlők a mixeléskor a teljesítményeket összehangolják, de ha a gyártó egy olyan LED szalagot tervezett ahol a fehér LED nagyobb teljesítményű és ezt még keverjük valamilyen színnel, akkor a jelzett problémába ütközhetünk.

4. Tervezési megoldások

• Vastagabb +12 V vezeték: Ez a legegyszerűbb és legbiztonságosabb megoldás, ha a teljesítményigény jelentős.
• Több szinkronizált vezérlő használata: Ha a szalag rendszerünk túl hosszú, érdemes több rövidebb rendszert kialakítani. Ekkor a kisebb rendszerekhez közelebb vihetjük a 230Voltos vezetékezést és a törpefeszültségű gerincvezetékeken sem keletkezik akkora áramigény. A modern vezérlők pedig egy zóna alá párosítva szinkronizáltan fognak együttműködni.
• Feszültségerősítők: Hosszú szalagoknál, ah mégis egy vezérlőben gondolkozol, érdemes jelerősítőket beiktatni, melyekhez egyenként további tápegységeket csatlakoztathatsz, így a törpefeszültségű gerincvezetékek mindegyikén, csakis a vezérlő és első jelerősítő, avagy a jelerősítők közötti LED szalag mennyiségek áramigénye fog keresztülfolyni.
• 24 V vagy magasabb feszültségű szalagok: A nagyobb feszültség kisebb áramot eredményez ugyanazon teljesítményhez, így csökken a vezeték-ellenállás okozta veszteség.

Az alumínium vezetékek kérdése

Vannak sodrott rézvezeték kinézetű, valójában rézzel futtatott alumínium vezetékek is. A figyelmes olvasó megtalálja a leírásban, vagy a termékelnevezésben, hogy ez nem réz, csak úgy néz ki. Ha nincs meg a leírásod, akkor a vágási felület ezüstös csillogása árulhatja el, hogy alumíniummal van dolgod.

Az alumínium fajlagos ellenállása körülbelül:

ρAl=0,028 Ω⋅mm²/m

Ez magasabb, mint a rézé – ρCu≈0,0175 Ω⋅mm²/m -, ami azt jelenti, hogy az alumínium nagyobb ellenállást tanúsít ugyanakkora keresztmetszetű és hosszúságú vezeték esetén.

Fontos tudnivalók az alumínium vezetékekkel kapcsolatban:

1. Hővezetési tulajdonságok: Az alumínium rosszabb hővezető, mint a réz, ezért nagyobb melegedésre hajlamos.
2. Mechanikai tulajdonságok: Az alumínium hajlamosabb a ridegedésre és a fáradásra, ami hosszabb távon érintkezési problémákat okozhat (pl. lazulás csatlakozásoknál).
3. Keresztmetszet szükséglete: Az alumínium vezeték keresztmetszetének nagyobbnak kell lennie, hogy azonos áramot biztonságosan el tudjon vezetni, mint a réz vezetéké. Általában 1,5-ször nagyobb keresztmetszet elegendő a rézvezetékhez képest.

Használatakor figyelni kell az alumínium rézzel történő közvetlen összekötésére, mert galvánelemek alakulhatnak ki, amelyek korrózióhoz vezethetnek. Ilyen esetekben speciális csatlakozási technikák vagy kiegészítők szükségesek.

Léteznek „trükkös” rézbevonatos alumínium (CCA – Copper Clad Aluminum) vezetékek, melyek rejtett kockázatokat hordoznak, és tudatos tervezést igényelnek.
60%-kal nagyobb ellenállás: Azaz a fajlagos ellenállásuk körülbelül 60%-kal rosszabb, mint a tiszta rézé. Emiatt az azonos áramerősség elvezetéséhez a CCA vezetékeket 60%-kal nagyobb keresztmetszettel kell méretezni, hogy elkerüljük a túlmelegedést és a feszültségesést.
Megjelenésük megtévesztő: A rézbevonat miatt csak a vezeték vágási felületének színe csillog ezüstösen, tehát a belső alumínium mag az árulkodó. Ezért mindig figyelni kell a forrás megbízhatóságára, és ha nem biztos, hogy tiszta rézről van szó, érdemes óvatosnak lenni.

Az ilyen „spórolós” megoldások rövid távon csábítóak lehetnek, de a hosszú távú költségek és problémák (feszültségesés, túlhevülés, meghibásodás) miatt jobb, ha inkább kerüljük őket. Az áramköri biztonság és hatékonyság megéri az extra beruházást!

Egy újabb példa számítás:

Ha van egy DC 12 Voltos tápom, és rákötök egy 0,75mm2 keresztmetszetű réz vezetéket, ami 10 méter hosszú és végére rákötök egy 10 Amperes 12 Voltos lámpát, akkor a feszültségesés miatt a lámpa, már csak 7,33 Voltot fog kapni. Azaz a lámpa a névleges 120 Watt helyett csak 73,3 Watt teljesítményt fog produkálni, és a különbség a 46,7 Watt amit a vezeték, az ellenállása miatt elfog fűteni. De ez ugye nem így lesz, hanem a helyzet még rosszabb. A vezeték és a lámpa együttes fogyasztása el fog maradni a 120 Watt-tól a vezeték ellenállása miatt. Ezt hogy lehet kiszámolni, hogy a vezeték miatt az összes fogyasztás hogyan csökken?

A helyzet még egy kicsit rosszabb, mint az egyszerű feszültségesési számítás mutatja! Lássuk lépésről lépésre a problémát és a pontos számításokat.

1. Alapadatok:

• Tápfeszültség: U0 = 12 V
• Vezeték keresztmetszete: A = 0,75 mm²
• Vezeték hossza oda-vissza: L = 10 m×2 = 20 m
• Réz fajlagos ellenállása: ρCu = 0,0175 Ω⋅mm²
• Lámpa névleges áramfelvétele: I = 10 A

2. Vezeték ellenállásának kiszámítása

R = 0,0175 Ω⋅20 m / 0,75 mm² = 0,467 Ω

3. Feszültségesés kiszámítása

A feszültségesés a vezetéken:

ΔU=10 A × 0,467 Ω = 4,67 V

Tehát a lámpán mért feszültség:

Ulámpa = U0 − ΔU = 12 V − 4,67 V = 7,33 V

4. Lámpa tényleges teljesítménye

A lámpa tényleges teljesítménye a kapott feszültségtől függően:

Plámpa = 7,33 V × 10 A = 73,3 W

5. Teljes rendszer fogyasztása

A teljes rendszer fogyasztása tartalmazza a lámpa és a vezeték által elfűtött teljesítményt.

A vezetéken elfűtött teljesítmény:

Pvezeték= (10 A)² × 0,467 Ω = 46,7 W

Tehát a teljes fogyasztás:

Pteljes = Plámpa + Pvezeték = 73,3 W + 46,7 W = 120 W

A napi gyakorlatban elfogadható összegzés

• A lámpa tényleges teljesítménye: 73,3 W (a névleges 120 W helyett)
• A vezetéken elfűtött teljesítmény: 46,7 W
• A teljes fogyasztás a táp oldalán: 120 W

Ez azt jelenti, hogy a táp oldalán a rendszer továbbra is 120 W-ot fogyaszt, de ebből a vezetéken elfűtött 46,7 W miatt csak 73,3 W jut el a lámpához. Ezért a lámpa nem fogja leadni a névleges teljesítményét, hanem jóval halványabban fog világítani. DE EZ NEM IGAZ A LED VILÁGÍTÁS ESETÉN!

Nem igaz, mert van még valami egyedi dolog, a LED szalag világítás esetén.

A jelenséget, amit olvashattunk feljebb az valóban a feszültségesés problémaköre, de kissé összetettebb a LED mechanizmusa, mint ahogy első pillantásra tűnhet.
A LED szalagoknál tipikus probléma a feszültségesés, amit több tényező is befolyásol:

1. A NYÁK (nyomtatott áramkör – most maga a szalag) ellenállása: A vékony rézvezetékek saját ellenállása miatt már néhány méter után is jelentős feszültségesés következhet be.
2. LED-ek soros kötése: Általában 3 LED van sorosan kötve egy áramkörben (12 Volt esetében), mindegyik LED előfeszítést igényel (kb. 3-3,5V LED-enként).
3. Áramkorlátozó ellenállás: Fix ellenállás, ami szabályozza az áramot, de nem kompenzálja automatikusan a feszültségesést.

A kulcs az, hogy a LED-ek nem lineáris eszközök. Az áram-feszültség karakterisztikájuk nem egyenes arányú. Amikor csökken a feszültség:

• Először csökken a fényáram
• Párhuzamosan csökken az energiafogyasztás is
• Nem egyszerűen „elfűtésről” van szó, hanem komplex fizikai folyamatokról

Konkrétan:

• Ha a névleges 12V helyett csak 10V jut a LED-ekre, nem egyszerűen 83%-on fognak világítani
• A fényáram nem lineárisan, hanem degresszíven csökken
• Az áramfelvétel is arányosan kisebb lesz

Talán a legfontosabb jelentése a „A fényáram nem lineárisan, hanem degresszíven csökken” – mondatnak van. Van diódáknak egy nyitófeszültsége, ha a nyitófeszültség alá megy tápfeszültség, akkor a dióda nem nyit, azaz a LED nem fog világítani. Ekkor a nyitófeszültség alatt az áram sem folyik. Ha a névleges 12V helyett csak 10V jut a LED-ekre, nem egyszerűen 83%-on fognak világítani, hanem degresszíven csökken a fényáram – és ekkor az Amper is degresszíven csökken és nyitófeszültség alá érve eléri a 0 Ampert.

Mert a félvezető eszközök, így a LED-ek is, rendelkeznek egy úgynevezett küszöbfeszültséggel (nyitófeszültség), amely alatt gyakorlatilag nem folyik áram.

• Piros LED-eknél kb. 1,8-2,0V
• Kék/fehér LED-eknél kb. 3,0-3,5V
• Zöld LED-eknél kb. 2,2-2,5V

Ha a rákapcsolt feszültség nem éri el ezt a küszöbértéket:

• Nem folyik áram
• Nem termel fényt
• Gyakorlatilag nem működik

Amikor a feszültség elkezdődik a küszöbérték felett:

• Először nagyon kicsi áram indul meg
• Exponenciálisan növekszik az áram
• A fényáram is hasonló, nem lineáris görbét követ

Ez magyarázza a degresszív fényáram-csökkenést. Nem egyszerűen arányosan csökken a teljesítmény, hanem egy bonyolultabb, nem lineáris görbét ír le.

Visszatérve a számításhoz:

• A LED szalag tényleges teljesítménye: 73,3 W (a névleges 120 W helyett) nem igaz a LED szalag esetében, mert a nem lineáris karakterisztikája miatt, a csökkenő feszültség miatt (mert a vezeték ellenállása is úgy működik, mint a szalagon lévő áramkorlátozó ellenállás) az áramfelvételi képessége is csökkenni fog, így a LED szalag tényleges fogyasztása még kisebb lesz, mint a számított 73,3 Watt.
• A vezetéken elfűtött teljesítmény a számított 46,7 Wattnál a valóságban kisebb lesz, mivel a LED-ek nem fognak akkora áramot felvenni, kisebb tápfeszültség mellett, így a vezeték sem fog ekkora teljesítmény elfűteni.
• Mindezek együtteseként a teljes fogyasztás a táp oldalán: sem fogja elérni a 120 Wattot

Mindezek kiszámítása nem egyszerű, hiszen nem ismerjük az adott LED szalagon lévő LED-ek nem lineáris teljesítménygörbéjét. Egyet állíthatunk, hogy a fenti módszerrel kiszámolt feszültségesésnél a valóságban jobb eredményeket fogunk mérni. Ebből következik, hogy amikor kiszámoljuk a LED-ek nem lineáris karakterisztikájának figyelmen kívül hagyásával számított feszültségesést, és azt elfogadható értéknek tartjuk, akkor azt nyugodtan használhatjuk, mivel a ténylegesen mérhető érték kedvezőbb lesz.