A LED világítási rendszerek optimalizálása
Az ipari kiadványok egy barátságos kórusban kiemelik az utcai világítás erényeit, amelyekben LED-eket használnak. Kétségtelen, hogy az ilyen kiadványok megjelenésének egyik oka a szövetségi szervezetek szilárd állapotú világítási rendszerének fejlesztése.
A cikk tárgyalja a katalógusokban a LED-eszközök műszaki jellemzőinek bemutatására szolgáló rendszer javítását és a bennük megengedett tipikus hibákat.
Az áramot a LED-eken változtatva és a hőmérséklet-szabályozás beállításával a LED-es világítási rendszerek optimalizálhatók a hatékonyság, a nyomtatott áramkörök méretei, az élettartam és a költségek tekintetében. Azonban a helyes eredmények elérése érdekében a LED-ek működését szimulálni kell különböző áramoknál és hőmérsékleteknél.
A LED-es világítás nagyon gyorsan fejlődik, de a LED-ek költsége még mindig elég magas, ezért a fejlesztők feladata a LED-ek fénykibocsátásának növelése a számuk csökkentése érdekében. A probléma megoldásának legegyszerűbb módja az áram növelése, de ez automatikusan megnöveli a hőmérsékletet, ami viszont rontja a fénykibocsátást, csökkenti a hatékonyságot és lerövidíti az élettartamot. Nyilvánvaló, hogy ebben az esetben radiátorokat kell használni. A világítási rendszerek helyes kifejlesztése nem csak ezeket a tényezőket veszi figyelembe, hanem a LED-illesztőprogramok jellemzőit is. Új eszközöket fejlesztettek ki a világítási rendszerek tervezésének egyszerűsítésére, és a fejlesztők számára lehetővé tette a kompromisszumot a nagy hatékonyságú, kis méretű és alacsony költségek mellett.
A világítási rendszerek tervezőinek fő feladata egy adott fénykibocsátás biztosítása. A fejlesztők rendszerint a LED-ek műszaki dokumentációjához fordulnak, megtalálják a fényáram megfelelő értékét és meghatározzák a rendszerhez szükséges LED-ek számát. Általában a fényáramot laboratóriumi körülmények között, 25 ° C-os állandó hőmérsékleten határozzák meg rövid áramimpulzus alkalmazásakor. De valóságos körülmények között a LED-ek elég forróak. A hatékonyság a legjobb azoknak, amelyek a piacon, csak 20-30% -os, ami azonban képest mutatók a többi világítóberendezés lehet tekinteni egy jó eredmény. Tény, hogy ez a szám sokkal jobb, mint a volfrámszálas izzólámpák, amelyek a lámpa 100 W körülbelül 2,2% egy fény kimeneti 1500 lm. De a kérdés az, hogy hol tart a fennmaradó 70% -os energia? Ellentétben a volfrám lámpákkal, amelyek hőt termelnek infravörös sugárzás formájában, a LED-ek hőt termelnek a hővezetés miatt. Ezért szükséges a radiátorok hőmérséklet-szabályozás. A fejlesztők optimalizálják a jelenlegi és a hőmérséklet a LED-ek figyelembe kell vennie a következő fontos jellemző paraméterek: fényáram, Vf jelentése (a feszültségesés az előre torzítás LED) és a fényhasznosítás (fényáram osztva az energiafogyasztást lm / W), amely meghatározza a LED-hatékonyság .
Növelésével a jelenlegi keresztül a LED-ek, és növeli a fényáramot, hogy lehet használni, hogy csökkentsék a LED-ek száma a mátrixban, hogy csökkentse a költségeit (lásd. Ábra. 1a). A gyakorlatban a legtöbb svetoodachi lehet dolgozni a LED áram a két-háromszor nagyobb, mint a névleges áram (ellenőrizni ezt a tényt, megtalálják a referenciaadatokat a maximális LED áram). De azt, hogy kompromisszumot hőmérséklet, amely a használat egyforma méretű radiátor együtt növekszik a jelenlegi (lásd. Ábra. 1b). A hőmérséklet növelése az élettartam csökkenéséhez és a LED-ek megbízhatóságának csökkenéséhez vezet. Ez a fénykibocsátás csökkenéséhez is vezet, ami néha jelentős (lásd az 1c. Ábrát). A hőmérséklet csökkentése érdekében nagyobb radiátort kell használni, de ez a táblák méretének és a rendszer költségének növekedéséhez vezet. A fényárammal ellentétben a fényhatás a hőmérséklet növekedésével csökken (lásd az 1d. Ábrát). A fényhatás ilyen csökkenése azt a tényt eredményezheti, hogy a LED nem felel meg az energiamegtakarítás hatékonyságára vonatkozó állami szabványok követelményeinek. Ezenkívül a LED előremenő torzítási feszültsége növekvő árammal növekszik, és növekvő hőmérséklet mellett csökken, amit figyelembe kell venni a vezető áramkör kiválasztásakor. Például abban az esetben, egy egyszerű lépés lefelé áramkör, a teljes előre előfeszítő feszültséget a sorban a soros LED alatt kell tartani a minimális bemeneti feszültség, különben lehet szükség növekedése vagy buck-boost áramkör. Ezért nyilvánvaló, hogy a világítási rendszerfejlesztőnek kompromisszumot kell találnia a költségek, a lapméret, a megbízhatóság és a hatékonyság között. És ezt nem oldja meg egyszerűen az áram növelésével.
Ábra. 2b. Kompromisszum a különböző lehetőségek között, hogy optimalizálja a rendszer fejlesztését 2500 lumenre
Az első opció megfelel a legkisebb NYÁK méretű rendszernek. Egy kis terület a radiátoros rendszer korlátja hűtési képessége, ezért szükséges egy olyan mérsékelt üzemi áram, és egyeztetni a meglehetősen magas üzemi hőmérsékleten. Választási lehetőség optimalizálása használ mátrix LED 13 alkalmazását igénylő terület a radiátor 35 cm2 ΘSA egyenlő 0,7ºC / W, hanem azért, mert a kis áram itt használt 19 LED, ami növeli a költséget a rendszer akár $ 88,75.
Az említettekből látható, hogy a LED-ek jellemzői széles tartományban változnak, a működési áramtól és a hőmérséklettől függően. Azonban az egyetlen legjobb megoldás természetesen nem létezik. A nagy fényerősség és a hosszú élettartam csak a költségek és a méret növelésével érhető el. Ezzel szemben a költségek és a méret csökkentése érdekében meg kell találnunk egy kompromisszumot a fényhatás és a hasznos élettartam között, amelyek a LED-ek két fő jellemzője. Az egyetlen remény, hogy a LED-ek nagyon gyorsan fejlődnek, és az új modellek folyamatosan jobb technikai adatokkal jelennek meg. Ezért a fejlesztőknek folyamatosan figyelniük kell a piacot, hogy ne maradhassanak el a legújabb LED-modellek.
A LED-ek fejlesztése során a LED-ek, a radiátor és az áram kiválasztása után meg kell határozni a LED-eket vezérlő illesztőprogramot. A magas kontrollhatékonyság elérése érdekében rendszerint impulzusszabályzókat használnak. Következésképpen a következő fejlesztési lépések a vezető áramkör és a LED-tömb kiválasztása.
A kritikus paraméterek vezérlése szempontjából a feszültség aránya a LED mátrixon át a bemeneti feszültségtartományra esik. Ha a mátrixon levő teljes feszültség kisebb, mint a Vin minimális értéke (plusz a kulcson a veszteségek elszámolására szolgáló különbözet), akkor lefelé irányuló áramkör használható. Ez a legegyszerűbb áramkör a kivitelezéshez, továbbá előnye a nagy hatékonyság és az alacsony bemeneti áram.
Ha a mátrix teljes feszültsége meghaladja a Vin maximális értékét, akkor egy erősítő áramkört kell használnia. Ez egy jól megtervezett áramkör is, de hátrányai közé tartozik a nagy áramerősség mellett működő nagyfeszültségű (FET) tranzisztorok használata, amely attól függ, hogy mennyit kell növelni a feszültséget. Ez a nyomtatott áramköri lapok költségének és méretének növekedéséhez vezethet.
És végül, ha a LED-ek körüli feszültség a Vin maximális és minimális értéke között van, akkor egy fokozatos sémát alkalmazunk. Ez a rendszer nagyon rugalmas munkát biztosít a mátrixszal, de nagyon összetett vezetõvel rendelkezik, és ennek megfelelõen magas árat különböztet meg.
A kiválasztott meghajtó áramkör számára meghatározzák a LED-tömb konfigurációját. Ha csökkentési áramkört választanak ki, akkor a mátrix párhuzamos vonalakra osztható, amely feszültség kisebb, mint a minimális bemeneti feszültség. Azonban, ha a párhuzamos vonalak találkoznak ugyanazon kimeneti vezérlő a jelenlegi érzékelő ellenállás, akkor probléma van azzal a ténnyel, hogy a sorok közötti különbségek miatt az előre elfogultság a LED különböző áramot tud folyni. Ez a fényerő és a hőmérséklet különbségéhez vezethet, és a LED-vezérlők eltérő élettartamát jelentheti. Ez a probléma több kimenettel és áramérzékelő ellenállással rendelkező illesztőprogram vagy több kimeneti kimeneti meghajtó használatával oldható meg.
Az áramelválasztás problémájának megoldása érdekében a LED-ek sorba kapcsolhatók. Azonban a teljes feszültség a LED-kön elég magasra fordulhat. Ha meghaladja a 60 V-ot, további óvintézkedések és tanúsítványok szükségesek a kormányzati előírások betartásához.
A rendszer optimalizálásának fenti kiegyensúlyozott változatát 2500 lumenre, 9 soros soros konfigurációval többféle járművezetőt teszteltek. Ebben az esetben a bemeneti feszültségek tartománya 15 ... 25 V volt. A 3. ábra a PCB méret függését mutatja a teljes rendszerre a fényhatékonyság és a vezetőveszteségek figyelembevételével. A körök mérete arányos a költségekkel. A diagram jobb alsó része a maximális fényhatékonyságnak és a legkisebb lemezméretnek felel meg. Ebben az esetben 9 LED-es egyvonalat használtunk. A LED-ek teljes feszültsége 28,6 V volt, ami magasabb, mint a maximális 25 V-os bemeneti feszültség, így itt nőtt a vezető áramkör. A diagram középső része megfelel a lefelé irányuló vezető alkalmazásának. Ebben az esetben a LED-eket három vonalra osztották 9,5 V feszültséggel, ami a minimális bemeneti feszültség alatt van.
Ábra. 3. Mátrixoptimalizálás a LED-ek és meghajtók irányítóitól 2500 lumen rendszerhez a bemeneti feszültségek tartományában 15 ... 25 V.
Az ábra mutatja a három különálló vezetők, de csökkenti az árakat ezek kombinálhatók, hogy az egyik driver az egyik áram érzékelő ellenálláson, de fennáll a veszélye az egyenetlen osztás. A bal felső sarokban lévő utolsó csoport megfelel két, öt LED-es vonalnak, amelyek mindegyike 15,9 V.
Az 1. táblázat egysoros soros LED-ek használatát tárgyalja. Itt a bemeneti feszültségek a különböző meghajtó topológiákra változtak. Ebben a táblázatban csak a sofőr jellemzőit veszik figyelembe, és a LED-ek és a radiátor által nyújtott hozzájárulás nem kerül figyelembe vételre. Az első esetben, az alkalmazásának lehetőségét a lefelé áramkör bemeneti feszültség tartomány 35 ... 40 V, ami magasabb, mint a feszültség a sorban a LED-ek, egyenlő 28,6 V. Hatásosság vezető kivételével LED volt, 93%, amikor fedélzeten által elfoglalt terület 3,5 cm 2 és 1-es érték , 90 dollár
A lépcsős áramkör alkalmazásához a bemeneti feszültségtartomány 20 ... 25 V volt, ami a LED feszültség alatt van. Az elért hatékonyság ebben az esetben is 93% -kal egyenlő, de a tábor zárt területe nagyobb lett - 6,3 cm2 3,02 dollár értékben.
Az utóbbi esetben a bemeneti feszültség tartomány 25 ... 35 V Mivel a feszültség a LED között volt a legnagyobb és a legkisebb bemeneti feszültség, az alkalmazott bak-boost áramkör. A hatékonyság ebben az esetben alacsonyabb volt - 88%. és lábnyom ellátás többet - 8 cm 2, amelynek költsége $ 4,04 Látható, hogy a költségek a LED driver csak 5-15% a teljes rendszer költsége és hatékonysága (93%) jelentősen meghaladja a hatékonysága a teljes rendszer (24%). (lásd a 2. táblázatot). A járművezető utolsó szakaszában kialakul a valódi rendszere. Pilóta tervezési program automatikusan létrehoz egy listát a komponensek (PTO), de lehetővé teszi a felhasználóknak, hogy módosítsa a passzív alkatrészek, miközben ellenőrzi a változás a rendszer teljesítményét.