reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© OSRAM Przemysł elektroniczny | 31 marca 2011

Blask światła z półprzewodników

W ciągu ostatnich pięciu lat wiele dyskutowano o zatrzymaniu globalnego efektu cieplarnianego, obniżeniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery i rozwoju energetyki niekonwencjonalnej. Jednym z rozwiązań, które odnosi się do powyższej problematyki i które spotkało się ze znacznym zainteresowaniem, to oświetlenie z wykorzystaniem technologii półprzewodnikowych.
W ciągu ostatnich pięciu lat wiele dyskutowano o zatrzymaniu globalnego efektu cieplarnianego, obniżeniu emisji dwutlenku węgla do atmosfery i rozwoju energetyki niekonwencjonalnej. Jednym z rozwiązań, które odnosi się do powyższej problematyki i które spotkało się ze znacznym zainteresowaniem, to oświetlenie z wykorzystaniem technologii półprzewodnikowych. Technologia ta ostatnio została znacząco rozwinięta, dzięki czemu uzyskano tańsze, sprawniejsze i trwalsze źródła światła LED. Początkowo stosowane jako wskaźniki, diody LED mają szansę stać się alternatywą dla innych źródeł światła w oświetleniu ulicznym, samochodowym oraz w tablicach świetlnych. Do roku 2013 wartość globalnego rynku urządzeń LED może wzrosnąć do 13,7 mld USD.

Dlaczego oświetlenie z wykorzystaniem półprzewodników?
Oświetlenie pochłania 15% światowego zużycia energii. Kompaktowe lampy fluorescencyjne (CFL) są obecnie uważane za "zieloną alternatywę" dla lamp żarowych. Jednak pod wieloma względami, "zielona" technologia HB-LED przewyższa lampy fluorescencyjne CFL ze względu na większą efektywność energetyczną. Dla porównania, diody HB-LED wykazują [1] dłuższą żywotność (ok. 50 000 godzin) [2] niskie koszty obsługi [3] dwukrotnie większą sprawność [4] mniejszą generację ciepła. Diody HB-LED zużywają ok. 15% energii potrzebnej dla lamp żarowych, wytwarzając więcej światła z jednego wata mocy (mierzone w lumenach/wat).

Rys. 1. Zestawienie porównawcze prezentujące koszt energii dla 500 żarowych źródeł światła, źródeł fluorescencyjnych oraz dla systemu LED przy pracy przez 11 godzin dziennie w ciągu 365 dni. Dla porównania przyjęto średni koszt 17 centów za 1 kWh. Źródło: www. ecolubasa.com

© Farnell

* Z arkuszy danych żarówek HID, CU = 60%
** Najlepsza obecnie w swojej klasie technologia LED (dioda Cree XLamp Q4 bin @ 6000K, 700 mA), z osprzętem o CU (sprawność oświetlenia) = 80%. Przy założeniu równowagi cieplnej diod LED (65°C Tj)
*** Według danych DOE, poprawione parametry diod LED, CU = 80%. Przy założeniu równowagi cieplnej diod LED (65°C Tj)


Tablice diod LED o dużej jasności dla wyświetlania kolorowych płaszczyzn.
Diody LED o dużej jasności stają się coraz bardziej popularne w aplikacjach typu panele wyświetlające i oznaczenia drogowe. Dla tego rodzaju aplikacji dostępne są nowe, wielokanałowe sterowniki HB-LED ze stałymi wyjściami prądowymi. Stały prąd diod LED gwarantuje niezmienioną jasność dla wszystkich diod LED, a ponadto jest to rozwiązanie tańsze, gdyż nie ma potrzeby stosowania zewnętrznych rezystorów. System ten, zintegrowany z nowymi technologiami czujnikowymi, może automatycznie wykrywać i rejestrować punkty topnienia i uszkodzenia urządzeń. Ponadto, sensory optyczne mogą być stosowane w celu uzyskania informacji o warunkach oświetlenia otoczenia - informacje te można wprowadzić do urządzenia sterującego w celu dostosowania jasności i kontrastu poprzez przyćmienie. Schemat blokowy typowego wyświetlacza przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat blokowy wyświetlania w technologii półprzewodnikowej

© Farnell



© STMicroelectronics

Zgodnie z ruchem wskazówek zegara od górnego lewego rogu: [a] wykres pokazujący zmianę koloru światła diody LED w zależności od prądu [b] przyćmienie PWM (dimming) w funkcji przyćmienia analogowego [c] mieszanie kolorów - kolor pomarańczowy utworzony przez przyćmienie i [d] typowy obwód sterujący dla ciągu diod LED.


Procesor video przesyła strumień sygnałów video (piksele) do urządzenia sterującego. Urządzenie sterujące zazwyczaj wyposażone jest w mikrokontroler (MCU), który dekoduje i mapuje strumień danych do macierzy (x, y). Każdy piksel macierzy jest reprezentowany przez strumień kolorów czerwony, niebieski i zielony dla diod LED na wyświetlaczu, które to diody obsługiwane są osobno przez sterowniki LED. Wymagany poziom jasności dla każdego strumienia odnoszącego się do diod LED zapisywany jest w pamięci mikrokontrolera MCU. Sygnał o modulowanej szerokości impulsu (PWM) wprowadzany jest do sterowników diod LED, zmieniając jasność każdego ze strumieni, dzięki czemu uzyskuje się żądany kolor piksela. Proces ten, znany jako "PWM dimming" (przyćmienie), jest doskonalszy od analogowej odmiany tej techniki stosowanej w starszych sterownikach LED. Regulacja jasności w technice analogowej realizowana jest poprzez zmianę wartości prądu przewodzenia. I chociaż zmiana wartości prądu przewodzenia powoduje zmianę koloru świecenia diod LED, to metoda ta nie jest przydatna w przypadku wielokolorowych paneli wysokiej jakości. Technologia "PWM dimming" zapewnia regulację jasności przez zmianę prądu przewodzenia w zakresie 0 - 100%.

Zależnie od stopnia komplikacji wielokrotne układy LED mogą być sterowane przez pojedynczy pin MCU z wykorzystaniem interfejsu szeregowego oraz równoległego lub przez indywidualne piny przeznaczone dla każdego z ciągów diod LED. Ta druga konfiguracja stosowana jest w przypadku małych i prostych paneli wyświetlających (z powodu prostoty rozwiązania), podczas gdy konfiguracja pierwsza jest bardziej odpowiednia dla dużych i złożonych systemów wyświetlających.

Niezależnie od obsługi technologii "PWM dimming" sterowniki diod LED muszą posiadać dodatkowe właściwości dla takiej aplikacji: [a] korekta punktów dla uzyskania jednakowego rozkładu oświetlenia diodami LED [b] 8, 12, 16- kanałów przy prądzie sterownika 30 – 120 mA na kanał [c] transfer danych do 30 MHz oraz [d] zabezpieczenia i komunikowanie o błędach.

Jednostka sterująca, czujniki i sterowniki LED funkcjonują w konfiguracji pętli zamkniętej. Czujniki dostarczają informacji o warunkach świetlnych otoczenia (podobnie jak o uszkodzeniach urządzeń, punkcie topnienia i przesunięciu koloru) do urządzenia sterującego, które ustawia kolor, jasność i kontrast, kontrolując stopień przyćmienia diod LED.

Diody HB-LED wymagają odprowadzania ciepła w celu utrzymania optymalnej temperatury pracy. Zgodnie z praktyką, skuteczny radiator aluminiowy powinien mieć powierzchnię 10 cali kwadratowych dla spływu ciepła na 1 W mocy rozpraszanej. Ponadto, żebra radiatora powinny być tak ustawione, aby zapewnić ruch ogrzanego powietrza do góry i jego odpływ oraz zapewniać dostęp zimnego powierza od dołu na powierzchnię radiatora.

Diody LED w oświetleniu ulicznym
Oświetlenie uliczne jest ważną usługą publiczną i zarazem koniecznością. Jednak lampy sodowe i rtęciowe stosowane do oświetlania ulic zużywają dużo energii, gdyż większość mocy dostarczanej ulega zamianie na ciepło. Diody LED dzięki swojej wysokiej sprawności energetycznej i dużej żywotności zaczynają być masowo stosowane do oświetlania ulic. W dłuższym okresie czasu miasta zaoszczędzą znaczne kwoty, gdyż koszty obsługi tych źródeł są niezwykle niskie.

Zasilane energią słoneczną diody LED-HB łączą czyste źródło energii z zaletami oświetlenia półprzewodnikowego, dając w wyniku system o jeszcze większej efektywności energetycznej. Projektowanie takich układów wymaga rozumienia funkcjonowania zasadniczych komponentów systemu LED-HB oraz podjęcia wyzwań w procesie tworzenia konstrukcji.

Efektywne wykorzystanie energii jest istotnym czynnikiem w aplikacjach wykorzystujących oświetlenie HB-LED - szczególnie w rozwiązaniach zasilanych energią słoneczną. Projektanci tych aplikacji muszą nie tylko maksymalizować wykorzystanie energii z paneli słonecznych, ale również zapewnić odpowiednią akumulację energii w zestawach bateryjnych wykorzystywanych do zasilania odbiorów HB-LED (rys. 3)

Systemy fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne) są dotychczas najbardziej uniwersalnymi przetwornikami energii słonecznej, której nośnikiem są fotony, na energię elektryczną. Jednak wytwarzając energię elektryczną z ogniw słonecznych, należy wziąć pod uwagę okresowość zasilania (np. w nocy bateria słoneczne nie wytwarzają energii). Ciągłość zasilania zapewnia akumulacja energii w odpowiednich urządzeniach.
Gdy rozwiązany zostanie problem wytwarzania i akumulacji energii elektrycznej, to następnym krokiem będzie zamiana tej energii na światło w sposób rozsądny, oszczędny i przyjazny dla środowiska.
Technika oświetlenia diodami LED (rys. 4) łączy w sobie wszystkie powyższe wymagania w jednym systemie - od algorytmu MPPT do powiązanego profilu ładowarki baterii, zasilania diod LED i zabezpieczenia panelu - dzięki czemu bateria i lampa tworzą jednolitą i bezpieczną architekturę.


Rys. 3. System oświetlenia słonecznego z wykorzystaniem diod LED
© STMicroelectronics

Rys. 4. System oświetlenia zasilany energią słoneczną HB-LED firmy STMicroelectronics

© STMicroelectronics

Dzięki dużej sprawności świetlnej i braku szkodliwych substancji (rtęć lub gazy toksyczne) diody LED uważane są za najbardziej czyste źródło światła pod względem ekologicznym. Dodatkowo, niskie napięcia zasilania czynią diody LED szczególnie przydatnymi dla systemów fotowoltaicznych. W celu poprawienia sprawności ogólnej i zapewnienia wymaganego strumienia świetlnego istotne jest zasilanie diod LED ze źródła prądu, które ma stałą, kontrolowaną wartość. Zatem każde rozwiązanie zasilania diod LED musi uwzględniać poniższe parametry.
1. Zakres napięć wejściowych:
• Bateria 6V dla aplikacji typu latarnie słoneczne
• Baterie 12V dla domowych aplikacji oświetleniowych
• Baterie 24V przeznaczone głównie do oświetlenia ulicznego.
2. Liczba diod LED i sposób ich połączenia
• Połączenie szeregowe w jeden ciąg
• Wiele ciągów połączonych równolegle.
3. Prąd diod LED – duża jasność osiągana przy prądach od kilku mA do 1 A.

Są one przyjmowane w technologii LED. Dostępność źródeł światła opartych na technologii LED w zakresie mocy do 5 W i powyżej istotnie wpływa na rynek oraz przyczynia się do odchodzenia od tradycyjnych i mniej efektywnych źródeł światła. Zależnie od napięcia baterii oraz liczby diod LED połączonych szeregowo w jednym ciągu, konwersja napięcia do wyższego lub niższego w trybie przełączania (buck/boost conversion) jest najbardziej odpowiednim rozwiązaniem.

Oświetlenie HB-LED może być stosowane w układzie wydzielonym lub sieciowym. Oświetlenie w układzie sieciowym umożliwia sterowanie energooszczędne, kontrolę przyćmienia, komunikację w zakresie aktywności w odniesieniu do środowiska (przesunięcia i ruch) oraz monitorowanie stanu baterii i uszkodzeń.
Powszechne są zarówno sieci przewodowe, jak i bezprzewodowe - sieci te wykorzystują protokoły standardowe bezprzewodowe typu ZigBee oraz protokoły zastrzeżone bezprzewodowe pracujące w pasmach ISM od 902 do 928 MHz i 2.4 GHz.

W sieciach przewodowych komunikację mogą zapewniać modemy transmitujące dane oraz moc zasilającą. Chociaż może wydawać się to sprzeczne, podłączone do sieci systemy oświetleniowe LED-HB mogłyby zasadniczo realizować komunikację sieciową i jednocześnie służyć jako sieci zasilające dla baterii akumulatorów. Potencjalne aplikacje wykorzystujące komunikacje przewodową i bezprzewodową mogłyby bezprzewodowo łączyć podsieci systemów oświetleniowych. Węzeł podłączony do głównego kontrolera poprzez modem transmitujący sygnały i moc zasilającą mógłby kontrolować takie podsieci.

Innym aspektem związanym z systemem jest akumulacja energii. Zdolność hermetycznych akumulatorów ołowiowych (SLA) do ładowania w temperaturach poniżej punktu zamarzania czyni je nie tylko najbardziej powszechnymi w wydzielonych sieciach oświetleniowych HB-LED zasilanych energią słoneczną, ale również we wszystkich aplikacjach w energetyce słonecznej.

Dobierając pojemność baterii akumulatorów, szczególnie ołowiowych, należy pamiętać o uwzględnieniu współczynnika projektowego w odniesieniu do temperatur otoczenia, ponieważ pojemność akumulatorów ołowiowych spada w niskich temperaturach.

Pojemność baterii wyznaczyć można z następującego równania:
CBATTERY = (IL x TSOLAR x 24 x FTEMPERATURE)/FDOD

Przy czym: CBATTERY jest pojemnością baterii, IL oznacza obciążenie prądowe, TSOLAR jest liczbą dni bezsłonecznych, FTEMPERATURE jest współczynnikiem projektowym temperatury, a FDOD oznacza stopień rozładowania baterii. Równanie to jest odpowiednie dla baterii akumulatorów ołowiowych (SLA), gdy znamionowa szybkość rozładowania jest zbliżona do wartości spodziewanej. Jeżeli szybkość rozładowania jest większa lub mniejsza od określonej, to w oszacowaniu należy to uwzględnić.

Charakterystyka I-V paneli słonecznych zależy od napromieniowania oraz temperatury. Panel generuje maksymalną moc dla danego punktu charakterystyki I-V (rys. 5). W wielu aplikacjach słonecznych system steruje panelem tak, aby wygenerować maksymalną moc, co oznacza, że parametry pracy odpowiadają danemu punktowi krzywej I-V. Proces ten opisywany jest różnymi algorytmami MPPT (śledzenie punktu pracy sprawności maksymalnej), ale wszystkie mają ten sam cel: ustawić punkt pracy w najbardziej optymalnym zakresie dla uzyskania jak największej mocy źródła. Implementacja algorytmu MPPT może być całkowicie analogowa lub mieszana, przy czym często wykorzystywany jest mikrokontroler lub urządzenie sterujące o danej liczbie stanów. Podczas projektowania systemu należy wykonać analizę kosztów dla rozstrzygnięcia, czy dodanie funkcjonalności MPPT na tyle zwiększy produkcję energii, że implementacja okaże się opłacalna.

Zapewnienie oświetlenia na obszarach wiejskich wiązać się raczej będzie z lokalnym wytwarzaniem energii. Systemy fotowoltaiczne umożliwiają eksploatację łatwo dostępnych źródeł energii z jednoczesnym zapewnieniem ochrony środowiska. Technologie firmy STMicroelectronics umożliwiają aktywną implementację wszystkich powyższych właściwości przy zastosowaniu jednego lub dwóch chipów, co sprzyja miniaturyzacji i zwiększeniu efektywności.


Rys. 5. Krzywa MPPT I-V

© STMicroelectronics

Artykuł powstał dzięki uprzejmości firmy Farnell. Więcej o tych rozwiązaniach możecie dowiedzieć się na portalu: www.element-14.com

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
October 16 2017 14:56 V8.8.6-2