INTELIGENŢĂ PENTRU SISTEMELE DE ILUMINARE CU LED-URI (II)

25 FEBRUARIE 2008

Cele mai noi generaţii de microcontrolere (MCU) mici şi economice pot fi utilizate pentru implementarea de diferite tipuri de control electronic în cadrul sistemelor de alimentare pentru iluminare. Ele pot îmbunătăţi controlul şi eficienţa, dar pot oferi şi comunicare şi monitorizare în bucla închisă inteligentă.

De exemplu, tehnologia LED a evoluat către un punct în care oferă o sursă durabilă de lumină cu o eficienţă care o depăşeşte pe cea a becurilor cu incandescenţă. Un MCU adăugat unui sistem de iluminare cu LED-uri oferă posibilitatea unui control eficient al strălucirii pe întreaga gamă de operare. El oferă de asemenea beneficii suplimentare, precum corecţia factorului de putere activă (PFC) pentru o creştere şi mai mare a eficienţei, încărcarea acumulatorilor pentru aplicaţii de iluminare portabile şi oportunitatea de a integra protocoale de comunicaţie cunoscute, precum DALI sau DMX512.

Comisia pentru energie din California a realizat un studiu cuprinzător referitor la consumul energetic pentru iluminare. Acesta arată că iluminatul rezidenţial reprezintă 8 procente din consumul energetic utilizat de stat, în timp ce iluminarea comercială reprezintă 14 procente din acelaşi consum.
Eficienţa unei surse de lumină, sau eficacitatea, este definită drept cantitatea de lumină de ieşire, raportată la puterea electrică de intrare. Lumina de ieşire este măsurată în lumeni. În figura 1 este prezentată eficacitatea câtorva tipuri de surse de lumină.
Becul cu incandescenţă, modificat foarte mult faţă de invenţia originală a lui Edison, este încă larg utilizat în aplicaţii de iluminare. Datele studiului din California arată că 59% din toată energia pentru iluminarea rezidenţială şi 13% din toată energia pentru iluminarea comercială este consumată de surse cu incandescenţă. Becul cu incandescenţă oferă cea mai mică eficacitate dintre toate sursele de lumină alimentate electric.

LED-ul de mare putere
De mulţi ani LED-ul a fost utilizat în aplicaţii de indicare. Acestea sunt dispozitive de curent redus, putere mică, ce nu sunt foarte potrivite pentru aplicaţii de iluminare. Progresul recent în fabricarea semiconductoarelor, structurile de siliciu şi manta de fosfor au făcut posibilă apariţia LED-urilor de mare putere.
LED-urile de putere de astăzi au o eficienţă ce se apropie sau chiar o depăşeşte pe cea a altor surse de lumină eficiente. Pe lângă aceasta apar şi alte avantaje, incluzând durată mare de viaţă şi rezistenţă la şocuri şi vibraţii. Aceste avantaje fac ca LED-urile să fie utile în aplicaţii precum: semne de circulaţie, iluminare auto, aplicaţii militare şi în oricare altă aplicaţie în care sunt dorite siguranţă a utilizatorului, siguranţă în funcţionare şi cost redus de întreţinere.
Un LED de putere este realizat cu un substrat de carbură de siliciu sau safir. Substratul de safir oferă un cost de fabricaţie mai redus, dar are o rezistenţă termică mai ridicată. Rezistenţa termică redusă a carburii de siliciu este atractivă pentru aplicaţii cu LED-uri de putere. Substratul poate fi dopat cu AlInGaP pentru a face LED-urile roşii, portocalii sau galbene, sau cu AlInGaN pentru a le face verzi, albastre sau albe. Capacitatea de a realiza surse de lumină albă cu un LED este foarte importantă pentru aplicaţiile de iluminare. Uzual sunt utilizate două metode. Prima este cea a utilizării unui LED albastru cu manta de fosfor care creează o lumină albă. Cealaltă este utilizarea unui LED care emite lumină în gama ultraviolet. Un mixaj de fosfor roşu, verde şi albastru este utilizat apoi pentru transformarea acesteia în lumină albă vizibilă. Abordarea cu LED albastru + fosfor oferă o sursă de lumină foarte eficientă. Însă este foarte greu de controlat culoarea exactă a luminii din cauza variaţiilor din LED-ul albastru. Construcţia cu LED UV + fosfor RGB oferă o culoare mult mai predictibilă, deoarece proprietăţile fosforului determină culoarea luminii de ieşire. Un dezavantaj al acestei tehnici este acela că fosforul roşu se degradează mai repede decât celelalte culori de fosfor, cauzând modificarea faţă de albul iniţial.
O altă cale de a produce lumină albă cu LED-uri este utilizarea a 3 emiţătoare pentru roşu, verde şi albastru. Dacă LED-urile sunt comandate în proporţii corecte, se produce lumină albă. Similar cu cazul tipului de LED UV + fosfor RGB, culoarea soluţiei cu 3 LED-uri se modifică în timp datorită îmbătrânirii diferite a fiecărui LED. În aplicaţii critice poate fi utilizat un control activ pentru corecţii în timp ale sistemului de iluminare.

Probleme termice
Disiparea căldurii şi rezistenţa termică pot pune probleme semnificative în ceea ce priveşte LED-urile de putere. Aceste dispozitive nu radiază căldură, astfel încât căldura generată trebuie îndepărtată mecanic din joncţiune.
Un LED de putere nu va fi viabil fără aceleaşi tehnici de asamblare utilizate la realizarea de semiconductoare de putere. LED-urile indicatoare au o joncţiune încapsulată cu lentile din răşină izolatoare. Această variantă lasă numai terminalele să conducă termic căldura din joncţiune. Prin contrast, un LED de putere este fabricat pe un cip precum alte dispozitive semiconductoare. Acesta este apoi fixat pe un bloc de căldură, care penetrează capsula, iar conexiunile sunt făcute la terminale externe prin fire de legătură. Blocul este apoi încapsulat cu gel siliconic şi acoperit cu lentile din plastic dur, care au manta dintr-un fosfor. Aceasta evită tensiunea din firele de legătură. Lentilele din răşină nu sunt practice datorită expansiunii termice.
Căldura este cel mai mare inamic al LED-urilor de putere. Avantajul major al LED-urilor de putere este durata de viaţă, care poate depăşi 50000 de ore. Prin comparaţie, o lampă fluorescentă tipică are o durată de viaţă de 8000 de ore, iar un bec obişnuit cu incandescenţă are o durată de viaţă de 2000 de ore. Pentru atingerea unei durate aşa de mari de viaţă, temperatura joncţiunii LED-ului trebuie ţinută scăzută. Limita actuală de temperatură este subiect de discuţie între producătorii importanţi de LED-uri, dar în general, temperatura joncţiunii trebuie ţinută la 80 de grade Celsius sau mai puţin. Atunci când funcţionează continuu peste această temperatură, LED-urile pot ceda în mai puţin de 10000 de ore. La temperaturi în apropierea a 80 de grade, lumina va scădea rapid după primele 10000 de ore, dar LED-ul va continua să genereze o lumină redusă mult timp după aceasta. La nivele de temperatură mai mici, LED-ul va continua să producă o lumină consistentă pe întreaga durată de viaţă.
Deşi LED-urile au evoluat în a fi surse de lumină foarte eficiente, fiecare design este o compensaţie între ieşirea de lumină, eficacitate şi sistemul de radiere a căldurii. Poate fi necesară o comandă a LED-ului la nivele de putere mai joase pentru a respecta cerinţele de temperatură şi ale dispozitivului de radiere a căldurii. Mai mult, cerinţele de capsulare pot limita abilitatea de a oferi o bună radiere a căldurii.
LED-urile de putere cu nivele de putere ce depăşesc 3W au devenit des întâlnite. Oricum este încă mai uşor de respectat cerinţele termice prin utilizarea mai multor LED-uri mai mici din gama 1-2W. Eficacitate mare poate fi obţinută când LED-ul este comandat la curenţi mici. Sistemele cu LED-uri vor deveni şi mai uşor de proiectat odată cu creşterea eficacităţii LED-urilor.
LED-ul necesită mai degrabă o sursă de curent constant, decât o sursă de tensiune constantă. Pentru tipurile de indicatoare şi de joasă putere, poate fi adecvată în acest caz o simplă rezistenţă. Pentru LED-uri peste 1W, rezistenţa devine nepractică. Topologiile de surse standard de tensiune în comutaţie (SMPS) şi controlerele pot fi utilizate pentru comanda LED-urilor la aceste nivele înalte de putere, folosind curentul prin LED ca reacţie către controler în loc de tensiune. Alegerea arhitecturii depinde de tensiunea de intrare a sistemului, tensiunea directă pe LED şi numărul de LED-uri conectate în serie.
Este de asemenea de luat în considerare modalitatea prin care curentul este tras din liniile de AC. Un circuit redresor tipic cu condensatoare de filtrare va consuma curent din liniile AC numai la vârful tensiunii de intrare AC. Rezultatul este o formă de undă de curent cu un conţinut ridicat de armonici şi un factor de putere redus. Un circuit PFC activ poate îmbunătăţi conversia puterii AC în putere DC, prin forţarea consumului de curent al circuitului pentru a urmări forma (anvelopa) tensiunii de linie AC. Corecţia factorului de putere ajută la respectarea cerinţelor de eficienţă energetică şi ajută clienţii să obţină o amortizare mai rapidă a costurilor sistemelor de control electronic al iluminării.
Corecţia factorului de putere activă este mult mai uşor implementată prin utilizarea unui circuit ridicător de tensiune cu o buclă de reacţie de tensiune externă şi o buclă internă de control al curentului. Bucla de control cu reacţie de tensiune furnizează comanda pentru bucla internă de control al curentului şi determină când este necesar mai mult sau mai puţin curent pentru atingerea tensiunii de magistrală dorite. Comanda buclei de curent este apoi utilizată pentru scalarea unui semnal de referinţă sinusoidal.

Continuare în numărul viitor

de Steve Bowling, Microchip Technology Inc.
www.microchip.com

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre