АНАЛИЗ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СВЕТОДИОДНЫХ ИСТОЧНИКОВ СВЕТА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ СОВМЕСТНО С ИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Аннотация

Представлены результаты экспериментов по работе светодиодных элементов большой мощности совместно с импульсным преобразователем. Исследованы инерционные свойства светодиодных элементов двух типов. Проанализировано их влияние на режимы работы выходного фильтра.

Полный текст

Импульсные преобразователи электроэнергии лежат в основе источников вторичного электропитания для светодиодных осветительных систем, длительность работы которых во многом зависит от обеспечения стабильности тока, протекающего через светодиодный элемент. Таким образом, при использовании в качестве первичного источника электроэнергии (ПИЭ) для питания светодиодных осветителей сети переменного тока общего назначения или источников постоянного тока, например аккумуляторных батарей и других электрогенерирующих устройств, необходимо промежуточное преобразование электроэнергии. В результате ресурс осветительной системы в целом, включая источник вторичного электропитания, будет определяться не только ресурсом светодиодных элементов, но и ресурсом элементов энергопреобразующего устройства. Ведущие производители мощных светодиодных элементов заявляют, что ресурс (срок службы) этих элементов может достигать 100 тыс. ч, т. е. около 11 лет непрерывной работы с 30%-м падением яркости. Следовательно, необходимо обеспечить такой же длительный ресурс и для вторичных преобразователей. Как правило, такие преобразователи выполняются по классическим схемам с широтно-импульсной модуляцией и индуктивно-емкостным выходным фильтром с частотами преобразования в несколько десятков килогерц, массогабаритные характеристики которого и определяют массу всего преобразователя. В качестве емкостных фильтров используются оксидные или электролитические конденсаторы, ресурс которых варьируется от 2 до 5 тыс. ч, после чего они существенно теряют свою емкость, что приводит к увеличению пульсаций выходного напряжения и тока и, следовательно, к ухудшению как светоизлучающих, так и ресурсных характеристик светодиодов вплоть до выхода их из строя [1; 2]. Таким образом, длительный ресурс светодиодных источников света может быть обеспечен только за счет соответствующего ресурса элементов вторичного источника электропитания. Особенно актуально это для светодиодных осветителей большой мощности, отличающихся сравнительно высокой стоимостью. Данная проблема может быть решена за счет повышения частот преобразования импульсных преобразователей напряжения до нескольких сотен килогерц, благодаря чему станет возможным применение входных и выходных фильтрующих конденсаторов малой емкости - пленочных или керамических конденсаторов, имеющих малую удельную емкость и высокую удельную стоимость, но гораздо больший ресурс по сравнению с электролитическими конденсаторами. * Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение 14.В.37.21.1507 «Исследование и разработка перспективных импульсных высокочастотных вторичных преобразователей электроэнергии для светодиодных осветителей большой мощности»). 22 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева При частотах, близких к 1 МГц, из схемы можно будет исключить выходной фильтрующий конденсатор, а современная элементная база и схемотехнические решения, использующие в том числе и резонансные режимы работы импульсных элементов, позволят увеличить частоту преобразования до нескольких сотен килогерц с сохранением высокого КПД. В данной статье представлено исследование динамических свойств светодиодных элементов большой мощности, которые могут быть использованы совместно с элементами выходного фильтра импульсного высокочастотного источника вторичного электропитания (ИВЭП). Для оценки динамических параметров светодиодных элементов используются два способа. Первый способ применяется для качественной оценки динамических свойств в режиме большого сигнала и заключается в экспериментальном построе нии динамических вольт-амперных характеристик (ВАХ) светодиодного элемента для ряда частот. Изменение формы такой ВАХ позволяет судить об инерционных свойствах прибора, обусловленных емкостью перехода и паразитной индуктивностью. Эксперименты со светодиодной матрицей (рис. 1) и однокристальным светодиодным модулем (рис. 2), характеристики которых приведены в таблице, проводились на специально разработанном стенде, где в качестве сигнала развертки использовался синусоидальный сигнал тока. Вторым способом оценки динамических параметров светодиодов является определение модуля импе-дансной частотной характеристики (ИЧХ) в рабочей точке ВАХ (рис. 3). Данный способ позволяет оценить характер реактивных составляющих цепи, т. е. емкость светодиодного элемента. а б Рис. 1. Экспериментальные динамические ВАХ светодиодной матрицы Epistar: а - при частоте 100 кГц; б - при частоте 1 МГц Напряжение, В Напряжение, В б Рис. 2. Экспериментальные динамические ВАХ светодиода XREWHT-L1-0000-005: а - при частоте 100 кГц; б - при частоте 1 МГц а 23 Математика, механика, информатика Таблица Тип светодиодного элемента Цвет Материал чипа Электрическая мощность, Вт Световой поток, Лм Описание XREWHT-L1-0000-005 Белый (теплый) InGaN на SiC подложке 1,15 2 6 ОО 6, 5 Однокристальный светодиод Epistar 10X10 Белый (холодный) InGaN 110 7 500...8 500 Светодиодная матрица 10Х10 10 100 1х103 f, кГц 1х104 Рис. 3. Графики модулей ИЧХ светодиодных элементов Epistar 10X10 и LB-P200W3C-H3, полученных на экспериментальном стенде Полученные экспериментальные результаты показывают, что исследуемые светодиодные элементы обладают малой емкостью на рабочем участке, являющейся следствием излучательной рекомбинации диффузионного заряда в базе перехода. Так, при частоте 1 МГц (на рис. 1, б и 2, б они выделены пунктиром) диффузионная емкость становится заметной в области малых токов с небольшой интенсивностью излучательной рекомбинации. Таким образом, эффект от использования собственной емкости светодиодного элемента в заданном диапазоне частот в качестве составляющей выходного фильтра проектируемого преобразователя напряжения (ПН) является несущественным. С другой стороны, условная безынерцион-ность в таком диапазоне частот исключает динамические потери мощности при пульсирующем питающем токе на высокой частоте, по крайней мере до 1 МГц. Это в свою очередь допускает питание светодиодных элементов импульсным током и дает возможность оптимизировать параметры сглаживающего фильтра. Как отмечалось выше, использование оксидных и электролитических конденсаторов большой емкости в качестве фильтрующих элементов ИВЭП светодиодных элементов не желательно с точки зрения надежности и обеспечении длительного ресурса. Эксплуатационная надежность конденсаторов в аппаратуре во многом определяется воздействием ряда факторов, которые по своей природе можно разделить на следующие группы: электрические нагрузки; климатические нагрузки; механические нагрузки; радиационное воздействие [2]. Под влиянием этих нагрузок происходит изменение параметров конден саторов. В условиях эксплуатации светодиодных осветительных систем одним из главных требований к ним является длительным ресурс в широком диапазоне климатических факторов и нестабильности первичной сети электропитания. Таким образом, главными факторами, влияющими на ресурс конденсаторов, будут климатические и электрические нагрузки. Наибольшие необратимые изменения параметров вызываются длительным воздействием электрической нагрузки, при котором происходят процессы старения, ухудшающие электрическую прочность. Основной причиной старения при постоянном напряжении являются электрохимические процессы, возникающие в диэлектрике под действием постоянного поля и усиливающиеся с повышением температуры и влажности окружающей среды, а при переменном напряжении и импульсных режимах работы - ионизационные процессы, происходящие внутри диэлектрика или у краев обкладок, преимущественно в местах газовых включений. Напряжение электрического поля в диэлектрике конденсатора при его испытаниях выбирается с некоторым запасом, однако эксплуатация под электрической нагрузкой, превышающей номинальное напряжение, резко снижает надежность конденсаторов [2]. В этом случае наилучшим способом повышения надежности исследуемых устройств будет сокращение количества оксидных и электролитических конденсаторов в силовых цепях схемы. Однако если принять во внимание тот факт, что при работе от первичной сети переменного тока необходимо использовать низкочастотные фильтры, неотъемлемой частью которых являются оксидные и электролитические 24 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева конденсаторы, то полное их исключение представляется не всегда возможным. Поэтому далее мы будем рассматривать возможность исключения из выходного фильтра конденсаторов большой емкости. Уменьшение выходной емкости фильтра или ее полное исключение зависит от двух факторов: повышения частоты преобразования, что впоследствии влияет на увеличение динамических потерь в полупроводниковых и магнитных элементах преобразователя, и сопротивления нагрузки в рабочей точке, т. е. при постоянном номинальном токопотреблении. Это обусловлено тем, что при использовании индуктивного фильтра индуктивность дросселя совместно с активным сопротивлением нагрузки образует LR-цепь с постоянной времени L/R. Таким образом, опираясь на экспериментальные данные по определению внутреннего сопротивления, можно сделать вывод о том, что малое дифференциальное сопротивление светодиодного элемента на рабочем участке ВАХ позволяет использовать безъемкостной фильтр (или, по сути, L-фильтр). Для расчета параметров LR-фильтра необходимо знать размах пульсаций тока Д4ф, протекающего через дроссель и светодиодный элемент. Для исследуемых образцов светодиодных элементов было установлено, что на частоте до 1 МГ ц электрические инерционные свойства проявляются в пренебрежимо малой степени. Допустимые пульсации светового потока в различных нормативных документах рассматриваются только для низких частот (50 Гц для люминесцентных ламп без активного балласта, до 30 кГц - с активным балластом), при этом их уровень не должен превышать 10 %. К тому же в этих документах нет сведений о нормах пульсаций светового излучения на частотах выше 30 кГц. Таким образом, для определения такого начального расчетного параметра, как Д1и\п необходимо: - связать Д^ф с магнитными потерями мощности и массогабаритными характеристиками сердечника дросселя выходного фильтра, что предполагает возможность оптимизации последнего известными способами; - принять максимально допустимое периодическое отклонение светового потока от среднего значения, характерного для низкочастотной области. Возьмем за основу нормативные показатели из СНиП 23-05-95 «Естественное и искусственное освещение», где коэффициент пульсаций освещенности определяется как E — E ъг макс мин К „с- -- 2E (1) ср где Емакс и Емин - максимальное и минимальное значение освещенности за период колебаний соответственно, лк; Еср - среднее значение освещенности за тот же период, лк. Относительный световой поток светодиодного элемента связан с током, протекающим через него, как правило, линейной зависимостью в окрестности рабочей точки ВАХ (рис. 4). Если принять, что Еср соответствует 100%-й освещенности при некотором номинальном токе /ном, то справедливо следующее соотношение: КпE kEI! ном Кп!, (2) где kEI - коэффициент связи относительного светового потока с током, протекающим через светодиод; Кп1 = = Д4ф/(2!ср) - относительный коэффициент пульсаций тока. При нормальной освещенности 1ном = 1ср, однако, изменяя 1ср, можно регулировать световой поток (например, для режима дежурного освещения). Выражая из (2) Д^ф, получим 2Л„К.. (3) Д^ф ср пЕ kEI 1ном При заданном КпЕ для светодиодного элемента с параметрами 1ном и kEI расчет Д1Ь\, производится для минимального 1ср, определяемого техническим заданием. После определения Д!^ необходимо рассчитать индуктивность дросселя фильтра с учетом дифференциального сопротивления светодиодного элемента в рабочей точке ВАХ. а б Рис. 4. Зависимость относительного светового потока от протекающего тока: а - для светодиодной матрицы Epistar 10X10; б - для светодиода XREWHT-L1-0000-005 25 Математика, механика, информатика t Рис. 5. Временные диаграммы тока и напряжения LR-цепи при входном импульсном напряжении прямоугольной формы Для более наглядного представления о методике расчета индуктивности дросселя фильтра рассмотрим временные диаграммы тока и напряжения дросселя LR-цепи, полученные при воздействии входного периодического однополярного сигнала прямоугольной формы с частотой 100 кГц, индуктивностью дросселя фильтра L,|, = 200 мкГн и дифференциальным сопротивлением диода Rd = 1 Ом (рис. 5). Установим связь размаха пульсаций тока Д^ф, протекающего через светодиодный элемент и дроссель, с частотой преобразования /п, параметрами импульсов напряжения (длительностью импульса и амплитудой) на входе фильтра и индуктивностью дросселя фильтра L,|,. Для периодического сигнала произвольной формы справедливы следующие соотношения: ‘К+ j ^ф(t)dt Д!ьф - /п— Iср - /п j !ьф (t)dt - /п "j ^вх.ф (t)dt Rd (4) (5) где UL^(t) - напряжение на дросселе за время 4+, соответствующее длительности положительной части полуволны за период. Для сигнала прямоугольной формы соотношения (4) и (5) можно записать в приближенном виде: Д^ф j ^ф(t)dt t (U — U ) 0 V U вх.ф U ср ) U„ ивх Y ср /п - Rd Rd y(Uвх.ф — Uср ) ДILф Lф (6) (7) (8) где у = tH+ / Тп; Ц^.ф - амплитуда напряжения на входе фильтра; U^ - усредненное по времени напряжение на светодиодном элементе. В качестве примера рассмотрим экспериментальное исследование режимов работы светодиодных элементов при питании от импульсного стабилизатора тока с широтно-импульсной модуляцией и частотой импульсов на входе индуктивного фильтра 200 кГц. Расчет индуктивного фильтра проводился по предложенной выше методике для сигнала прямоугольной формы и светодиодной матрицы Epistar 10X10. При этом принималось, что относительный коэффициент пульсаций светового потока не должен превышать 10 %. Используя соотношение (3), было получено значение Д^ф = 0,8 А. При U^ = 31 В, ^х.ф = 84 В 4+ = 2 ,04 мкс и заданной частоте преобразования 200 кГц минимальное значение индуктивности фильтра согласно (6) составило 130 мкГн. Аналогичным образом выполнялись расчеты для светодиодного элемента XREWHT-L1-0000-005 с индуктивностью дросселя фильтра 159 мкГн. Дроссель на тороидальном сердечнике МП-60 был изготовлен таким образом, чтобы обмотка укладывалась в один слой по всей длине магнитопровода с некоторым запасом. В результате индуктивность дросселя увеличилась до 209 мкГ н. Задача эксперимента заключалась в подтверждении малой инерционности исследуемых светодиодных элементов и возможности использования чисто безъемкостного выходного фильтра. Экспериментальные осциллограммы (рис. 6, 7) были сняты при помощи разработанного стенда для исследования светодиодных элементов. На приведенных графиках сопоставлены временные диаграммы тока, протекающего через светодиодный элемент, и относительный световой поток. Относительный световой поток измерялся с помощью фотодетектора, построенного на основе фотодиода ФД256 и операционного усилителя AD8066 в соответствии с методикой, описанной в [3]. L ф —1 26 Вестник Сибирского государственного аэрокосмического университета имени академика М. Ф. Решетнева И о Н Рис. 6. Осциллограммы тока и относительный световой поток светодиодной матрицы Epistar 10X10 при питании от импульсного стабилизатора тока с ШИМ и L-фильтром 116 100% 87 О4 е 58 29 ЛАДДА Г T T IT T b 7,5% J р у V у V Т0,056А / Постоянная составляющая тока 0,3А ~ Относительный световой поток 1 Ток светодиода t, 5мкс/дел 1 i i • i t, 5мкс/дел 0.3 0.2 ч( « О Н 0.1 Рис. 7. Осциллограммы тока и относительный световой поток однокристального светодиодного элемента XREWHT-L1-000-005 при питании от импульсного стабилизатора тока с ШИМ и L-фильтром Графики этого светового потока были получены путем математического преобразования экспериментальных осциллограмм напряжения фотодетектора, снятых по точкам при помощи цифрового запоминающего осциллографа. Это преобразование осуществлялось с помощью соотношения Ф (t) иотн V ' Uф (t) U'ф.ср Л U +1 ф.ср 100 %, (7) где Фиотн - относительный световой поток; U^, - напряжение на выходе фотодетектора; U^w - среднее за период значение напряжения на выходе фотодетектора, полученного на основании того, что в рабочей точке зависимость тока, протекающего через светодиодный элемент, и излучаемого светового потока можно считать линейной. Пилообразная форма тока, проходящего через светодиодный элемент, практически без искажений преобразуется в световой поток. Расчетный коэффициент пульсаций для светодиодной матрицы Epistar 10X10 при L,|, = 209 мкГн составляет 6,53 % (экспериментальный коэффициент - 6,5 %), для светодиодного элемента XREWHT-L1-000-005 - 7,2 % (экспериментальный коэффициент - 7,5 %). Таким образом, по результатам проведенных экспериментальных исследований можно сделать вывод, что рассматриваемые светодиодные элементы обладают незначительной оптической и электрической инерционностью, по крайней мере в диапазоне частот до 1 МГц, что допускает наличие пульсаций тока без дополнительных динамических потерь в цепи светодиодного элемента. Эти исследования также подтверждают возможность использования в качестве выходного фильтра только индуктивного элемента, что в свою очередь позволяет исключить конденсатор в выходном фильтре и повысить надежность и ресурс работы импульсного преобразователя.