Tento text je mým autorským textem a uveřejnil jsem jej původně v 2021/11 na Vodnickém blogu. Nejde tedy o „krádež“ obsahu zmíněného blogu.

Pokud se někomu nechce číst podrobný popis a chce si nakoupit vyzkoušené řešení – viz zdejší eshop.

Podotýkám, že budu psát „laicky“, ne každý zde je vzdělán v oboru elektro, pokud by měl někdo zájem, může se mrknout někde online na VŠ předmět Teorie obvodů, speciálně přechodové jevy při sepnutí/vypnutí RC a RL obvodů. Není to až tak úplně jednoduché, za mých časů na tomto předmětu vyhučela dobrá 1/3 studentů 1.ročníku FEL (většinou gympláci). Druhá třetina vypadla na Matematické analýze (většinou průmyslováci), kterou jste potřebovali k tomu, abyste ty přechodové jevy pomocí diferenciálních rovnic spočítali.

Začnu obecně – problematika inrush current – někdy podceňovaný a jindy přeceňovaný faktor.

Nutno poznamenat, že se netýká jen LED světel, jak je zde občas prezentováno a že s LED vlastně vůbec nesouvisí. Pokud budete spínat 230V k nabíječce k notebooku či zásuvku, kde máte připojeno stolní PC, bude to úplně stejný problém.

Jde obecně o to, že většina dnešní zátěže není čistě odporová (klasické žárovky se téměř nepoužívají, zbývají tak jedině topné patrony či klasické odporové = sklokeramické varné desky), ale často se pro převod 230V AC na nižší napětí DC používají více či méně složité spínané zdroje, ovšem jejich úvodní část je naprosto stejná – potřebuji usměrnit AC na DC pomocí diod a vzniklé půlvlny „zarovnat“ kondenzátorem – a právě tady je zakopaný pes. Kondenzátor ve vybitém stavu se po připojení k napětí chová jako zkrat – napětí na něm je minimální, ale proud obrovský. Jak se kondenzátor nabíjí, napětí na něm roste a proud klesá, až se dostane do ustáleného stavu, kdy se samozřejmě trvale vybíjí díky připojené zátěži a nabíjí ze zdroje, ale tam už je průběh proudu téměř konstantní.

Problém proudového rázu či špičky tedy vzniká, pokud spínám přívodní AC 230V ke spotřebiči, který má kapacitní zátěž ve formě tohoto spínaného zdroje (např. LED pásek sám o sobě není kapacitní zátěž, tam vzniká ale jiný problém, viz dále).

Záleží tedy velmi výrazně na konstrukci každého jednoho spínaného zdroje, jakou proudovou špičku vytvoří a také na tom, je-li tento zdroj v okamžiku připojení zatěžován spotřebičem či nikoliv (zatíženému zdroji samozřejmě trvá déle, než se jev ustálí, protože kondenzátor je od začátku vybíjen onou zátěží). Pořád se ale bavíme v řádu milisekund.

Nelze tedy generalizovat, ovšem osobně se domnívám, že u méně kvalitních zdrojů (což je dnes většina) s kondenzátory nižších kapacit, které navíc v čase poměrně silně degradují, nebude špička větší než 10 až 20-ti násobek připojené zátěže.

Pokud si tedy vyberu klasické relé s běžným materiálem kontaktů AgNi či AgCdO s kontakty dimenzovanými na 16A (které ve špičce krátkodobě zvládnou 25A) a budu jím spínat 1A zátěž, čili zdroj, který mi napájí 200W LED, nemusím to podle mě až tak úplně řešit speciálním typem relé, protože špička bude mít např. 20A.

Pokud budu jedním relé spínat plnou zátěž, čili poteče mi jím 16A v ustáleném stavu, (takže na něm budu mít spínaný zdroj pro LED 3kW), pak samozřejmě musím sáhnou po inrush variantě relé (většinou s kontakty z AgSnO2) které snese např. špičku ve výši 125A.

Druhá možnost spínání je nechat tyto spínané zdroje trvale připojené k AC 230V (stejně jako všechny televize, monitory a ostatní zařízení ve „stand-by režimu; nabíječku na NTB taky nevytahujete pokaždé ze zásuvky) a spínat pomocí relé již usměrněné DC rozvody o nižším napětí.

Zde narážíme na dva problémy – zaprvé je to omezená délka vedení, protože vodiče mají nějaký odpor, na kterém vzniká úbytek napětí, což pro nízká DC napětí poměrně vadí.

Malý příklad, LED pásek na 12V, příkonu 96W (čili potřebný proud cca 8A): na měděném vodiči průřezu 1,5mm2 délky 20m vznikne úbytek napětí cca 1,7V a do spotřebiče (pásku) doputuje pouhých 83W, zbytek se přemění na teplo v přívodním vodiči.

Při napájení pásku stejného příkonu (96W) ovšem 24V je proud poloviční a úbytek napětí jen 0,9V a na spotřebič se dostane 92,5W.

Stránka s výpočty online např. zde

Druhým problémem je to, že při sepnutí/vypnutí relé při spínání DC vzniká obloukový jev (něco jako klasická svářečka). I z tohoto důvodu je na relé vždy uváděn parametr spínaného proudu pro AC i DC napětí. Většinou bývá proud stejný, ale spínané DC napětí je mnohem nižší (typicky např 16A/250V AC ale 16A/30V DC).

Otázka „co je lepší“ je vpravdě řečnická. Záleží čistě na druhu instalace, jestli budu spínat 230V AC do spínaných zdrojů, které mohu umístit blíže spotřebičům a mít tak krátké vedení pro DC ale musím řešit proudové špičky nebo nechávat AC zdroje trvale připojené a spínat nízké DC. V praxi (a v mém domě určitě) budu řešit mix obojího.

Ještě k omezení špiček – mohu použít NTC čili termistory s negativním průběhem charakteristiky (aneb mrkněte do nějakého starého = poctivého AT zdroje k PC, tam určitě bude), kdy termistor ve studeném stavu (pokojová teplota) má určitý odpor a tlumí tak onu proudovou špičku. Průchodem proudu se zahřeje a jeho odpor klesá k nule (ovšem není to nula, vzniká na něm úbytek napětí a tím pádem i ztrátové teplo).

Vsuvka: článek o použití NTC např. zde

Případně pak použít nějaký aktivní omezovací prvek – např. zde popis od MeanWell

V domácích podmínkách asi nerealizovatelné, ale teoreticky použitelné je ještě zařazení nějaké indukčnosti (tlumivky) do obvodu (používá se např. ve zdrojích anodového napětí elektronkových zesilovačů).

Obě praktická řešení jsou používána zejména z důvodu toho, aby „nevypadl“ jistič, protože sice inrush verze relé onen špičkový proud sepne, ale v případě spojení více relé do bloku pod jeden jistič může způsobit jeho „vypadávání“. NTC či ten aktivní prvek zamezí či podstatně omezí vznik této špičky.

Snad jsem to popsal alespoň trochu srozumitelně, fundovaným kolegům se omlouvám za použitá zjednodušení či nepřesnou terminologii.

Ještě dovětek: pokud někdo říká, že Loxone neupozorňuje na nemožnost spínat LED světla (lépe řečeno kapacitní zátěž čili spínané zdroje) svými relé, nemá pravdu. V parametrech je totiž jasně napsáno 10A/250V AC cos(fí) = 1 což je označení pro čistě odporovou zátěž (na odporu je proud a napětí ve fázi, s rostoucím napětím roste i proud; oproti tomu na kondenzátoru se proud „předbíhá“ před napětím – viz text výše a cos(fí) = -90° čili při nulovém napětí vysoký proud; u cívky je tomu zase naopak cos(fí) = +90°).

Cos(fí) se nazývá účiník a jde o fázový posuv napětí a proudu v obvodu, pomocí něj se pak počítá činný a zdánlivý výkon atd. ale to je na další rozbor.

Jinými slovy, relé přímo z miniserveru bych se rozhodně nebál použít na spínání spotřebičů na nízké DC napětí (např. 24V LED pásků) do nominálu 10A, lépe s rezervou, takže tak do 150-200W příkonu max. na 1 relé či pro odporovou zátěž na 230V AC do cca 2kW.

Pouze pro jistotu, ale snad to všichni pochopili – nízkonapěťový LED pásek na DC napájení (čili bez „zdroje“) jako takový se chová jako odporová zátěž, je tvořen pouze LED diodami a případnými odpory.

Co jsem úplně pominul v problematice napájení LED: zdroje CC x CV, ale na to už nemám sílu.

Relé, která dlouhodobě používám – viz zdejší eshop.