Подписка на новости

Опрос

Какие лампы Вы используете для домашнего освещения?

Реклама

2012 №5

Решения MAZeT по использованию систем управления с обратной связью

Грунерт Фред (Fred Grunert)

Малер Винфрид (Winfried Mahler)


Перевод: Панкрашкин Алексей


В чем заключаются, с точки зрения экономики, преимущества регулирования цвета освещения при помощи систем управления с обратной связью?
В области цветокоррекции, а также в решениях по управлению светодиодными системами освещения такие системы управления часто рассматриваются лишь как дорогостоящие дополнения. Однако на самом деле в определенных областях использование решения с прямой обратной связью позволяет сократить общие затраты и будущие расходы на техническое обслуживание систем освещения в целом.
Самые современные светодиоды отличаются высоким световым потоком, и тем не менее светодиодные технологии все еще находятся на начальной стадии развития относительно анализа зависимости светотехнических и колориметрических параметров от температуры кристалла, а также эффектов старения гетероструктуры светодиодов.
В статье показано, каким образом можно разрешить различные проблемы, возникающие перед инженерами — разработчиками светодиодов.

Зависимость интенсивности излучения от температуры

Зависимость интенсивности и длины волны свечения светодиода от изменений температуры является известной проблемой. На рис. 1 показано, как ведет себя светодиодный источник света, состоящий из красного, зеленого и синего компонентов.

Зависимость интенсивности излучения и длины волны компонентов RGB-светодиода

Рис. 1. Зависимость интенсивности излучения и длины волны компонентов RGB-светодиода от их температуры

На рис. 1 показано, что зависимость поведения красного компонента светодиода от температуры сильнее, чем синего. При повышении температуры с +5 °C (41 °F) до +70 °C (158 °F) яркость свечения на красном участке диапазона падает почти на 40%.

Это неизбежно приводит к заметному глазу изменению цвета и яркости света, излучаемого смешанным источником на основе RGB-светодиодов. При этом пользователю дополнительно приходится решать вопрос калибровки источника света в зависимости от воздействия окружающей среды (например, температуры или давления) для получения желаемого цвета освещения. Поддержание стабильности освещения в том, что касается его цвета, становится проблематичным, в особенности в достаточно больших системах, состоящих из нескольких источников света. Даже неопытным наблюдателям становится заметна разница в цвете и неравномерность цвета свечения при величине допусков цветовой точки E = 2,5–3 (рис. 2).

Мозаичная симуляция свечения светодиодной панели

Рис. 2. Мозаичная симуляция свечения светодиодной панели при допусках с величиной E = 3

Характерной особенностью человеческого глаза является его реакция на различия в цвете. В то же время оценить абсолютные значения цвета очень сложно без точного сравнения значений. Попытки регулирования уровня яркости могут дополнительно усилить восприятие данных различий в цвете. Поэтому даже небольшие отклонения в цвете светодиодных панелей или систем подсветки могут приводить к серьезным технологическим проблемам.

Эффекты старения

Несмотря на то, что техническая спецификация светодиодов показывает положительную статистику по их сроку службы по сравнению с традиционными лампами накаливания, сила света светодиодов так же постепенно изменяется с первого же дня их использования. Как правило, срок службы светодиода рассчитывается на основе потери его светового потока более чем на 70% по сравнению с исходными значениями.

Тем не менее различия в цвете и неоднородность свечения могут выходить за установленный максимальный 70%-ный уровень потерь, как показали научные исследования и испытания в лабораториях.

На рис. 3 показаны характеристики интенсивности излучения RGB-светодиода высокой яркости в течение первых 5000 ч его работы. Интересен тот факт, что помимо постепенной потери интенсивности было зарегистрировано и кратковременное увеличение светового потока. Поведение данных параметров зависит от материалов, используемых в конструкции красных, зеленых и синих светодиодов. Доказано, что потеря яркости в течение первых 5000 ч эксплуатации может варьироваться от 5 до 15%. Другими словами, имеют место изменения яркости, заметные средним человеческим глазом. Следует отметить, что максимально долгая стабильность цвета излучения светодиодов является требованием нормативов EnergyStar.

Изменение интенсивности RGB-светодиода

Рис. 3. Изменение интенсивности RGB-светодиода в зависимости от времени его работы в часах (источник Avago)

При проведении технического обслуживания систем освещения замена отдельных поврежденных светодиодов может представлять собой трудную и дорогостоящую задачу. Однако требуемая частота технического обслуживания и эксплуатационные расходы могут быть значительно снижены при использовании систем управления с обратной связью.

Поставим вопрос таким образом: «Экономичное решение какого рода может разрешить подобные проблемы?».

Концепция оптических систем с обратной связью

Существуют различные решения задачи стабилизации силы тока и напряжения питания светодиодов. Существуют также решения, при которых измеряется температура светодиодов (насколько это технологически возможно), и полученные значения передаются на драйвер светодиода. Таким образом создается цепь управления температурой.

Отмеченные решения являются косвенными для задачи регулирования цвета. Альтернативой им является прямое регулирование, при котором измеряется непосредственно цвет излучения. Эта концепция показана на рис. 4.

Концепция оптической обратной связи

Рис. 4. Концепция оптической обратной связи с контролем цвета излучения светодиодов

Показанное решение отличается от других (нерегулируемых) вариантов управления наличием датчика цвета, который, в зависимости от концепции системы освещения, передает значения RGB или другие цветовые значения микроконтроллеру, таким образом обеспечивая прямое регулирование светоотдачи светодиода. Программное обеспечение микроконтроллера сравнивает полученные данные с заданными значениями и подает корректирующие сигналы на выходной драйвер. На рис. 4 показана система RGB. Однако данная концепция применима для любых светодиодных источников света, таких как RGB/белый или RGB/янтарно-белый. На рисунке не показано, каким образом датчик цвета детектирует световой поток. Имеет смысл создавать для этого простые решения, позволяющие направлять отраженный свет на датчик. Другими словами, с данной целью могут использоваться уже выпускающиеся отражатели, что позволяет предотвратить или максимально сократить увеличение стоимости системы.

Преимущества решений с оптическим обратным контролем

Светодиодный драйвер, используемый в схеме системы, показанной на рис. 4, может иметь упрощенную и экономичную конструкцию. Это вполне может быть драйвер без регулирования напряжения или силы тока питания светодиода и без датчика температуры или обратной связи.

Основным вопросом общей экономии средств является расчет общих затрат, а также будущих расходов на техническое обслуживание. Дополнительно важна сортировка светодиодов по группам (биннинг) (рис. 5). Идеальным было бы прямое управление отдельными цветовыми компонентами светодиода в зависимости от измеренного значения светоотдачи. Это позволило бы устранить ограничение, заключающееся в использовании светодиодов из одной конкретной группы или от одного производителя. Описанный подход может не только дать технологические преимущества, но и позволить сэкономить средства при планировании развития. Достаточно будет использовать светодиоды из определенных цветовых диапазонов, а общая светоотдача может быть отрегулирована позже. Стабильность освещения будет регулироваться при помощи обратной связи.

Биннинг светодиодов производства Luminus

Рис. 5. Биннинг светодиодов производства Luminus

В случае, если кто-либо хочет использовать светодиоды из групп биннинга, обведенных на рис. 5 зеленым, единственное требование будет заключаться в корректировке диапазона регулирования. Как правило, с учетом эффектов износа и смещения температуры, диапазон регулирования устанавливается на уровне 30%, поэтому не имеет большого значения конкретная группа, необходимая для устранения эффектов биннинга. Но это может позволить сэкономить средства при покупке светодиодов, поскольку диапазоны допусков их групп биннинга могут быть сильно снижены или даже устранены. Нередко при заказах светодиодов из одних и тех же классов/диапазонов у одного производителя приходится иметь дело с долгими периодами ожидания. При применении описываемых технологий не приходится ждать, пока будут готовы светодиоды из конкретного класса, а это может упростить всю процедуру покупки и сократить время ожидания заказа.

Равноконтрастный цветовой график МКО-31 показан на рис. 6. Сплошной треугольник очерчивает презентабельную часть цветовой палитры с учетом всех допусков, включая диапазон регулирования.

Диапазон видимого цвета RGB-светодиодов

Рис. 6. Диапазон видимого цвета RGB-светодиодов внутри цветовой палитры на основе допусков цвета (биннинг)

Потенциальная общая экономия средств

В конце расчета необходимо провести сравнение затрат и получаемых преимуществ. Устранение проблем и негативных эффектов, возникающих при использовании светодиодов (таких как необходимость учета их биннинга или непостоянство цвета освещения), а также создание долгосрочных устойчивых решений являются лишь некоторыми из элементов, позволяющих сократить общие затраты на развитие и будущие расходы на техническое обслуживание. Поэтому очень важно найти правильное решение для данной проблемы и хорошо взвесить все преимущества и затраты.

Описанное решение выгодно отличается от обычных систем освещения за счет:

  • использования управления светодиодными источниками;
  • компенсации эффектов старения светодиодов;
  • смещения температуры и цвета;
  • обеспечения долгосрочной стабильности;
  • снижения потенциальных будущих затрат на техническое обслуживание.

При этом важно выбрать датчик, не подверженный сам по себе эффектам старения и учитывающий восприятие цвета человеческим глазом. Датчики JENCOLOR производства MAZeT в точности удовлетворяют перечисленным требованиям.

Литература

  1. http://www.mazet.de
  2. http://www.mazet.de/en/products/jencolor
  3. Wego A. Korrekte Erkennung von Farben und Oberflächen mit Farbsensoren // Photonik. 2010. № 5.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке