تحليل المشكلات المتعلقة بعمر LED وكفاءة الإنارة

“تعد الحياة الطويلة والكفاءة العالية من المتطلبات الأساسية ، أي ظروف العمل المناسبة. العامل الرئيسي الذي يؤثر على العمر الافتراضي وكفاءة الإنارة هو درجة حرارة وصلة التشغيل لمصباح LED. تُظهر بيانات الاختبار المقدمة من الشركات المصنعة الرئيسية لمصابيح LED أن كفاءة الإضاءة لمصابيح LED تتناسب تقريبًا عكسياً مع درجة حرارة الوصلة ، وأن العمر الافتراضي ينخفض ​​بشكل كبير مع زيادة درجة حرارة الوصلة. لذلك ، فإن التحكم في درجة حرارة الوصلة ضمن نطاق معين هو المفتاح لضمان عمر LED وكفاءة الإضاءة. بالإضافة إلى تدابير تبديد الحرارة ، من الضروري دمج درجة حرارة الوصلة في معلمات التحكم في مزود طاقة القيادة للتحكم في درجة حرارة الوصلة ضمن نطاق معين.

“

تعد الحياة الطويلة والكفاءة العالية من المتطلبات الأساسية ، أي ظروف العمل المناسبة. العامل الرئيسي الذي يؤثر على العمر الافتراضي وكفاءة الإنارة هو درجة حرارة وصلة التشغيل لمصباح LED. تُظهر بيانات الاختبار المقدمة من الشركات المصنعة الرئيسية لمصابيح LED أن كفاءة الإضاءة لمصابيح LED تتناسب تقريبًا عكسياً مع درجة حرارة الوصلة ، وأن العمر الافتراضي ينخفض ​​بشكل كبير مع زيادة درجة حرارة الوصلة. لذلك ، فإن التحكم في درجة حرارة الوصلة ضمن نطاق معين هو المفتاح لضمان عمر LED وكفاءة الإضاءة. بالإضافة إلى تدابير تبديد الحرارة ، من الضروري دمج درجة حرارة الوصلة في معلمات التحكم في مزود طاقة القيادة للتحكم في درجة حرارة الوصلة ضمن نطاق معين.

1 الكشف عن درجة حرارة وصلة الصمام

تشير درجة حرارة تقاطع LED إلى درجة حرارة الوصلة PN. من الصعب قياس درجة حرارة الوصلة لمصباح LED ، ولكن يمكن قياسها بشكل غير مباشر وفقًا لخصائص درجة حرارة LED.

تشبه خصائص فولت أمبير لمصابيح LED الثنائيات العادية. يظهر الشكل 1 خصائص فولت أمبير النموذجية لمصابيح LED الزرقاء للإضاءة البيضاء.

الشكل 1 خصائص فولت أمبير لمصابيح LED

مثل الثنائيات الأخرى ، فإن خصائص فولت أمبير لمصابيح LED لها معامل درجة حرارة سالب ، أي عندما ترتفع درجة حرارة الوصلة ، يتحول منحنى I / V إلى اليسار ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

الشكل 2 الشكل 2 خصائص درجة الحرارة لخصائص فولت أمبير

بشكل عام ، لكل 1 درجة مئوية زيادة في درجة حرارة الوصلة لمصباح LED ، سيتحول منحنى I / V إلى اليسار بمقدار 1.5 ~ 4mV. إذا كان الجهد المطبق ثابتًا ، فمن الواضح أن التيار سيزداد ، ويزيد التيار لن يؤدي إلا إلى ارتفاع درجة حرارة التقاطع بدرجة أكبر ، بل يؤدي إلى حدوث حلقة مفرغة. لذلك ، تم تصميم مصدر طاقة القيادة LED الحالي بشكل عام كمصدر طاقة تيار مستمر.

وفقًا للقانون الذي ينحرف منحنى I / V إلى اليسار مع ارتفاع درجة حرارة الوصلة ، في حالة مصدر طاقة تيار ثابت ، يمكن حساب درجة حرارة تقاطع LED عن طريق قياس الجهد الأمامي للـ LED.

في التطبيقات العملية ، غالبًا لا يكون من الضروري تحديد القيمة الدقيقة بشكل خاص لدرجة حرارة الوصلة LED. في هذا الوقت ، يمكن تحديد القيمة المقدرة لدرجة حرارة الوصلة لمصدر ضوء LED للمصباح بالكامل بشكل تجريبي. بأخذ ضوء ساقط 12 وات كمثال ، يتكون جزء مصدر الضوء من 4 سلاسل متوازية 6 من مصابيح LED متوسطة الطاقة ، واتصال دائرته كما يلي:

الشكل 3 الشكل 3 مخطط توصيل دارة مصدر الضوء LED

خطوات الاختبار لتحديد العلاقة بين الجهد الأمامي ودرجة حرارة الوصلة هي: 1) ضع مصدر الضوء في الحاضنة ؛ 2) ضبط درجة حرارة الحاضنة ؛ 3) بعد أن تكون درجة الحرارة في الحاضنة متوازنة ومستقرة تمامًا ، قم بتوصيل طرفي مصدر الضوء بمصدر التيار المستمر ؛ 4) قم بقياس الجهد الأمامي لمصدر الضوء وتسجيله بسرعة ؛ 5) كرر الخطوات المذكورة أعلاه 1) ~ (4) ، تكون درجة حرارة الحاضنة من الأقل إلى الأعلى ، ويتم قياس نقاط متعددة من البيانات.

وفقًا للخطوات المذكورة أعلاه ، يتم قياس مصدر ضوء النازل 12 واط ثلاث مرات ، والبيانات كالتالي:

الجدول 1 بيانات قياس انخفاض الجهد الأمامي LED ودرجة حرارة الوصلة

يمكن أن نرى من الجدول 1 أن اتساق وانتظام البيانات المقاسة واضحان.

نظرًا لوقت الاختبار القصير ، يمكن أن تكون درجة الحرارة المحددة في منظم الحرارة أثناء القياس مساوية تقريبًا لدرجة حرارة الوصلة لمصدر ضوء LED. في حالة وجود تيار ثابت يبلغ 600 مللي أمبير ، ليس من الصعب الحصول على العلاقة بين الجهد الأمامي لوحدة مصدر الضوء ودرجة حرارة الوصلة من خلال الطرق الرياضية. باستخدام أدوات Excel ، خذ درجة الحرارة على أنها المحور X والقيمة المتوسطة كمحور Y لإنشاء مخطط مبعثر (X ، Y) ، وحدد نوع تحليل الانحدار الخطي لإنشاء مخطط الاتجاه التالي والصيغة.

الشكل 4 مخطط الاتجاه الذي تم إنشاؤه بواسطة Excel

يمكن ملاحظة أن العلاقة بين الجهد الأمامي ودرجة حرارة الوصلة لمصدر الضوء المكون من 4 سلاسل متوازية 6 من مصابيح LED متوسطة الطاقة عندما يتم تشغيلها بواسطة تيار ثابت يبلغ 600 مللي أمبير هي:

Vf = -0.0207Tj + 20.332 (1)

Tj = 982.22-48.31Vf (2)

حيث Vf هو انخفاض الجهد الأمامي لمصدر ضوء LED ، و Tj هي درجة حرارة الوصلة. وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من أن منتجات LED ذات المواصفات المختلفة من مختلف الصانعين تتوافق مع الاتجاهات المذكورة أعلاه ، إلا أن هناك اختلافات معينة في البيانات المحددة ، لذلك يجب إعادة اختبار المواصفات والنماذج بعد تغيير الشركات المصنعة.

2 LM3404 مقدمة

مع تطور تطبيقات إضاءة LED ، أدخل المصنعون المحليون والأجانب العديد من الأجهزة لقيادة مصابيح LED. من بينها ، LM3404 وسلسلة المنتجات التي قدمتها National Semiconductor عبارة عن شريحة تشغيل تيار مستمر ومناسبة جدًا لمصادر الإضاءة LED ذات الطاقة المتوسطة والصغيرة.

يحتوي LM3404 على مفتاح MOS مدمج ، والحد الأقصى لتيار الإخراج هو 1A ، والكفاءة عالية تصل إلى 95٪. تتبنى هذه الشريحة حزمة SOIC ذات 8 سنون ، يمكن أن تستخدم إحداها إدخال تعديل عرض النبضة (PWM) إشارة للتحكم في سطوع الصمام.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للرقاقة أن توفر الاستشعار الحالي بجهد منخفض يصل إلى 0.2 فولت. جهد الدخل هو 6 ~ 42V ، ويظهر هيكل الدائرة الداخلية في الشكل 5.

الشكل 5 مخطط هيكل الدائرة الداخلية LM3404

تعريف الدبوس:

SW: مطلوب طرف إخراج أنبوب MOS الداخلي ، بشكل عام محث خارجي وصمام ثنائي شوتكي ؛

BOOT: دبوس بدء تشغيل أنبوب MOS الداخلي ، متصل بشكل عام بمحطة SW بمكثف 10nF ؛

DIM: محطة إدخال تعتيم PWM ، يمكن تعديل متوسط ​​طاقة الإخراج عن طريق إدخال إشارات PWM بنسب عمل مختلفة ؛

GND: المحطة الأرضية ؛

CS: دبوس التغذية الراجعة ، يستخدم لتعيين القيمة الحالية الثابتة ؛

RON: محطة التحكم عبر الإنترنت ، يمكن أن يؤدي تأريض هذا الدبوس إلى توقف الشريحة عن العمل وتكون في حالة استهلاك منخفض للطاقة ؛

VCC: دبوس مزود الطاقة ، يتم تزويد هذا الجهاز بجهد 7 فولت داخل الرقاقة ، ومكثف مرشح متصل بالأرض أثناء التطبيق ؛

VIN: محطة الإدخال ، نطاق الجهد هو 6 ~ 42V ، بالنسبة لـ LM3404H ، النطاق هو 6 ~ 75V.

تطبيق LM3404 بسيط للغاية ، ويظهر في الشكل 6 تطبيق نموذجي يستخدم LM3404.

الشكل 6 LM3404 مخطط نموذجي لدائرة التطبيق

في الشكل ، Rsns هي مقاومة أخذ العينات ، والتي يمكن تحديدها وفقًا لقيمة التيار الثابت للتصميم ؛ يستخدم Ron عمومًا مقاومة تبلغ حوالي 100 كيلو ؛ يمكن تحديد تردد التبديل ؛ L1 هو محاثة الخرج ، والتي يمكن تحديدها وفقًا لـ تموج التصميم وتبديل التردد والمعلمات الأخرى.

3 تصميم مصدر طاقة LED على أساس حماية درجة حرارة التوصيل

يكمن مفتاح دائرة تشغيل LED القائمة على حماية درجة حرارة الوصلة في الكشف عن درجة حرارة الوصلة وكيفية حمايتها. وفقًا للعلاقة بين درجة حرارة الوصلة أعلاه والجهد الأمامي لمصباح LED ، يمكن تحديد درجة حرارة الوصلة عن طريق قياس الجهد الأمامي لمصدر ضوء LED ، ولكن بشكل عام تموج دائرة محرك التيار المستمر LED كبيرة. بالترتيب لتجنب الحماية الزائفة ، يجب تصفية دائرة الكشف. من ناحية أخرى ، عندما تتجاوز درجة حرارة الوصلة القيمة المحددة ، فإن تدابير الحماية ، مثل تقليل طاقة مصدر الضوء وإضعاف تشغيل المصباح بالكامل ، هي حلول أكثر منطقية. باستخدام كمبيوتر صغير ذو شريحة واحدة منخفضة الطاقة مع إدخال تناظري ، يمكن تصفية بيانات الكشف رقميًا ، ويمكن تعديل قوة مصدر ضوء LED من خلال محرك التحكم في الإخراج PWM ، والذي يمكن أن يبسط تصميم دائرة الكشف و دائرة التحكم.

Microchip’s PIC12F675 عبارة عن متحكم دقيق قابل للبرمجة على الإنترنت منخفض الطاقة مع إدخال تناظري 4 قنوات قابل للبرمجة ، وتحويل تناظري إلى رقمي بدقة 10 بت ، ومراقبة مدمجة ، ومذبذب 4 ميجاهرتز ، و EEPROM سعة 128 بايت ، ونظام تعليمات أحادي البايت ، 8 حزمة دبوس. إنه متحكم بسيط وعملي وفعال من حيث التكلفة. يتم أخذ عينات من الجهد الأمامي لمصدر ضوء LED ثم توصيله بطرف الإدخال التناظري لـ PIC12F675. بعد تحويل AD ، يتم إزالة الخطأ الإجمالي ، ويتم أخذ متوسط ​​قيمة البيانات المتعددة كأساس للحكم على درجة حرارة الوصلة ، و يتم إخراج إشارة PWM للتحكم في شريحة تشغيل التيار الثابت لتحقيق تأثير ضبط طاقة الخرج.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إصدار حكم الدائرة المفتوحة بناءً على القيمة المقاسة ، مما يبسط أيضًا دائرة حماية الدائرة المفتوحة.

مع الاستمرار في أخذ المصباح النازل الذي يتكون جزء مصدر الضوء من 4 متوازية و 6 سلاسل من رقائق LED متوسطة الطاقة كمثال ، فإن قيمة التيار الثابت للتصميم هي 600mA ، ونقطة حماية درجة حرارة الوصلة حوالي 80 درجة مئوية.وفقًا للصيغة ( 1) ، نقطة حماية جهد مصدر الضوء هي 18.68 فولت ، أي عندما يكون الجهد عبر مصدر الضوء أقل من 18.68 فولت ، ستتجاوز درجة حرارة تقاطع LED 80 درجة مئوية ، ويجب على السائق اتخاذ تدابير وقائية في هذا الوقت. يظهر الرسم التخطيطي لدائرة إمداد الطاقة LED بناءً على حماية درجة حرارة الوصلة المكونة من LM3404 و PIC12F675 في الشكل 7.

الشكل 7 رسم تخطيطي لمصدر طاقة LED بناءً على حماية درجة حرارة الوصلة

في الرسم التخطيطي ، تشكل CX1 و L1 و L2 دائرة ترشيح إدخال EMC ، والتي يتم تحويلها إلى 24V DC بعد تحويل التيار المتردد / التيار المستمر. إذا تم استخدامها لإضاءة الطوارئ التي تعمل بالبطارية ، والإضاءة الشمسية ، وإضاءة السيارة ، فإن هذا الجزء تم حذفه. R1، LM3404، C4، D1، L3، R7 تشكل دائرة محرك تيار مستمر نموذجي.لوحدة مصدر الضوء المكونة من 4 شرائح طاقة متوسطة LED متوازية 6 سلسلة ، مقاومة أخذ العينات هي 0.39Ω. تشكل R2 و R3 و R4 و LM431 دائرة منظم الجهد ، والتي توفر مصدر طاقة ثابت 5 فولت ومرجع جهد لتحويل AD داخلي لـ PIC12F675.

ناتج LM3404 مقسوم على R5 و R6 ثم الإدخال إلى المنفذ التناظري AN2 من PIC12F675. يتم تحويل PIC12F675 بواسطة AD داخلي ، ويحسب ويحصل على الجهد الأمامي لمصدر ضوء LED ، ويولد إشارة PWM وفقًا لبرنامج القيمة المحددة ، و يتصل بـ DIM لـ LM3404 من خلال طرف توصيل GP4 لضبط طاقة الخرج.

يضبط PIC12F675 مبدئيًا GP4 على مستوى مرتفع للإخراج.إذا كان الجهد الأمامي المقاس لـ LED ضمن نطاق معقول ، فحافظ على مستوى الخرج العالي لجعل LM3404 يعمل بشكل طبيعي ؛ إذا أصبح الجهد الأمامي LED تدريجيًا أقل وأقل من القيمة المحددة 18.68V ، ثم يتم إخراج إشارة PWM على دبوس GP4 ، ويمكن تقليل دورة التشغيل بدورها حتى يصبح الجهد الأمامي للـ LED أقل من القيمة المحددة. عندما يكون الجهد الأمامي المقاس LED مرتفعًا ، يمكن تحديد الإخراج ليكون مفتوحًا ، ويمكن لـ PIC12F675 إخراج مستوى منخفض لإيقاف تشغيل خرج LM3404.

وتجدر الإشارة إلى أن أخذ عينات جهد الخرج يشمل جهد أخذ العينات الحالي بحوالي 0.23 فولت المستخدم للتحكم في التيار الثابت LM3404 ، والذي يجب تعديله في برنامج حساب PIC12F675.

يظهر الرسم التخطيطي للقطعة PIC12F675 في الشكل 8.

الشكل 8 مخطط كتلة MCU

4. الخلاصة

نظرًا لأنه يتم التحكم في مصدر طاقة LED المستند إلى حماية درجة حرارة التوصيل بواسطة شريحة واحدة ، فمن السهل توسيع الوظائف الأخرى. على سبيل المثال ، كمصباح شارع ، يمكن برمجته للعمل بطاقة منخفضة في النصف الثاني من الليل ، وبالتالي توفير المزيد من الطاقة وإطالة عمر المصباح ؛ إضافة مستشعرات أخرى يمكن أن تحقق الإضاءة عند الطلب ؛ إضافة يمكن لوحدة الاتصال عن بعد أن تجعل المصابيح تشكل شبكة تحكم ذكية ، إلخ.