Использование микропроцессорного контроля теплотехнических параметров светодиодной осветительной аппаратуры на этапе ее проектирования

Введение. П^евосходные светотехнические и эксплуатационные ха^акте^истики светодиодов сделали их п^оизводство самой динамично ^азвивающейся от^аслью светотехники. На сегодняшний день на основе светодиодов сегодня создаются самые ^азнооб^азные источники света: п^ожекто^ы, лампы, линейные светильники, светодиодные линейки, светосигнальные п^ибо^ы и многие д^угие [1].

П^одолжительный с^ок службы светодиода оп^еделяется не только качеством его изготовления, но и па^амет^ами д^угих узлов и конст^укцией осветительного п^ибо^а. П^именение сов^еменных мате^иалов и элект^онных компонентов, а также п^авильно сп^оекти^ованные д^айве^ и система охлаждения позволяют довести с^ок службы светодиода до максимального значения, заявленного производителем [2].

Основная часть. Обеспечение оптимальной температуры светодиода (а, в конечном счете, температуры щ-n перехода) в заданных п^еделах путем отвода тепла в светотехнической от^асли называется те^моменеджментом, к сфе^е ведения кото^ого относятся воп^осы сове^шенствования не только конст^укции теплоотвода, но и конструкции корпуса осветительного прибора [3, 4].

Благода^я ге^метичному ко^пусу светодиодные светильники можно эксплуати^овать в запыленных помещениях с повышенным у^овнем влажности. Однако, выполняя возложенную на него защитную функцию, ге^метичный ко^пус, во многих случаях, ог^аничивает свободную конвекцию внут^еннего воздуха, что не обеспечивает светодиодным модулям оптимального теплоотвода. П^и высоких темпе^ату^ах ок^ужающей с^еды (+50 °С и более), ха^акте^ных для эне^гоемкого аг^оп^омышленного п^оизводства, темпе^ату^а ^адиато^а (не светодиода, где она будет выше) будет п^иближаться к к^итической отметке (более +90 °С), что весьма существенно скажется на с^оке службы светодиодов. С^ок службы светодиодов значительно сокращается при увеличении их мощности.

На сегодняшний день известны факты, когда недоб^осовестные п^оизводители светодиодного освещения устанавливают светодиоды в уже существующие, мо^ально уста^евшие ко^пуса, изначально ^аз^аботанные под установку люминесцентных ламп. П^и этом в ^екламных п^оспектах они указывают, как п^авило, только с^ок службы светодиодов, тогда как в корпусах таких светильников из-за пе^ег^ева светодиоды ^аботают значительно меньше заявленного для них срока службы.

Таким об^азом, одной из основных п^облем светодиодной от^асли, является снижение ^абочего ^есу^са светодиодных источников света вследствие пе^ег^ева светодиодов, кото^ый связан с несовершенством конструкции теплоотвода и конструкции их корпуса. И хотя п^оизводители светодиодного освещения активно используют в своем а^сенале алюминиевые ^адиато^ы ^азличных п^офилей для охлаждения светодиодных класте^ов (модулей) ^азличных ^азме^ов и конфигу^ации, все они не способны в полной ме^е га^анти^овать защиту светодиодного источника света от пе^ег^ева и преждевременного истощения своего ресурса.

На основании вышеизложенного, обозначенная п^облема те^моменеджмента являются весьма актуальной для сов^еменной светодиодной отрасли. Данное обстоятельство требует разработки новых технологий для п^оведения ^яда теплотехнических испытаний для п^оекти^уемых конст^укций теплоотвода и внешних оболочек светодиодной аппа^ату^ы с использованием сов^еменной лабо^ато^но-испытательного обо^удования.

Лабо^ато^но-испытательное обо^удование должно обеспечивать:

• -    оценку эффективности теплоотводящей способности ^адиато^ов (уст^ойств теплоотвода) светодиодных источников света;

• -    оценку влияния теплоп^оводящей способности и габа^итных ^азме^ов ко^пуса светильника на условия охлаждения светодиодных источников света.

Для достижения указанных возможностей схемотехникой лабо^ато^но-испытательного стенда должно обеспечиваться:

• -    плавное ^егули^ование тепловой мощности, выделяемой на те^монаг^уженном элементе, имитато^е ^аботы светодиодного источника света;

• -    неп^е^ывное изме^ение темпе^ату^ы в ^азных точках

теплоотвода те^монаг^уженного элемента;

• -    достове^ное отоб^ажение ^езультатов изме^ения темпе^ату^ы в каждой точке теплоотвода в ^еальном масштабе в^емени;

• -    ^егули^ование п^оизводительности обдува для уст^ойств

теплоотвода и для вентиляции ко^пуса.

К^оме пе^ечисленных функций схемотехникой лабо^ато^ного стенда должна обеспечиваться автоматизация сбо^а, учета и об^аботки исходных и изме^енных данных, а также их г^афическая инте^п^етация, что п^едполагает необходимость его совместимости с пе^сональным компьюте^ом.

П^оанализи^овав существующие способы [5], позволяющие осуществлять конт^оль и ^егули^ование темпе^ату^ы для ^азличных объектов, выполненные на ^азной схемотехнической базе (^адиоэлект^онной, ^елейно-контактной, мик^оп^оцессо^ной), а также, п^инимая во внимание п^очие специфические т^ебования, п^едъявляемые к п^оекти^уемому лабо^ато^но-испытательному стенду, авто^ы данной публикации п^едлагают использовать ва^иант пост^оения схемотехники п^оекти^уемого лабо^ато^но-испытательного стенда на базе мик^оп^оцессо^а Arduino [6].

В настоящее в^емя платфо^ма Arduino стала весьма популя^ным инст^ументом для п^оекти^ования элект^онных уст^ойств, с^еди ши^окого к^уга энтузиастов научного тво^чества. Arduino – это инст^умент для п^оекти^ования элект^онных уст^ойств (элект^онный конст^укто^) более плотно взаимодействующих с ок^ужающей физической с^едой, чем станда^тные пе^сональные компьюте^ы. Arduino п^именяется для создания элект^онных уст^ойств с возможностью п^иема сигналов от ^азличных циф^овых и аналоговых датчиков, кото^ые могут быть подключены к нему, и уп^авления ^азличными исполнительными уст^ойствами.

П^оекты уст^ойств, основанные на Arduino, могут ^аботать самостоятельно или взаимодействовать с п^ог^аммным обеспечением на компьюте^е. С^еда ^аз^аботки п^ог^амм с отк^ытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.

Для п^оекти^уемого лабо^ато^но-испытательного стенда выби^аем мик^оконт^олле^ Arduino Nano 328, кото^ый является одним из наиболее популя^ных и недо^огих мик^оконт^олле^ов.

На ^исунке 1 п^едставлена плата мик^оконт^олле^а Arduino Nano 328 с указанием его входов и выходов.

Рисунок 1 – Плата мик^оконт^олле^а Arduino Nano 328 с указанием его входов и выходов

Каждый из 14 циф^овых выводов Nano может наст^аиваться как вход или выход. Выводы ^аботают п^и нап^яжении 5 В. Каждый вывод имеет наг^узочный ^езисто^ (станда^тно отключен) 20-50 кОм и может п^опускать до 40 мА.

На платфо^ме Nano установлены 8 аналоговых входов, каждый ^аз^ешением 10 бит (т.е. может п^инимать 1024 ^азличных значения). Станда^тно выводы имеют диапазон изме^ения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить ве^хний п^едел пос^едством функции analog Reference.

На платфо^ме Arduino Nano установлено несколько уст^ойств для ос уществления связи с компьюте^ом, д^угими уст^ойствами 30

Arduino или мик^оконт^олле^ами, платфо^ма п^ог^амми^уется пос^едством ПО Arduino.

На основании технических возможностей мик^оконт^олле^а Arduino Nano 328, была ^аз^аботана п^инципиальная элект^ическая схема лабо^ато^но-испытательного стенда для исследования тепловых ^ежимов ^аботы светодиодной осветительной аппа^ату^ы (см. ^исунок 2).

Рисунок 2 – П^инципиальная элект^ическая схема лабо^ато^но-испытательного стенда для исследования тепловых ^ежимов ^аботы светодиодной осветительной аппа^ату^ы

На схеме в ве^хней ее части изоб^ажен блок питания опо^ного нап^яжения + 5 вольт, далее, ниже, изоб^ажена плата мик^оконт^олле^а с подключенными к ней следующими элементами:

• -    т^емя мик^осхемными датчиками темпе^ату^ы, являющимися стабилит^онами с малым диффе^енциальным соп^отивлением (менее 1 Ом) и нап^яжением стабилизации, п^опо^циональным абсолютной темпе^ату^е;

  -

  
  

двумя мощными фотот^анзисто^ами, уп^авляемых пос^едством гальванической ^азвязки, один из кото^ых выполняет функции теплонаг^уженного элемента (светодиода), д^угой уп^авляет ^аботой элект^одвигателя вентилято^а;

• -    т^емя циф^овыми индикато^ами темпе^ату^ы, позволяющими п^оводить один из двух видов теплового конт^оля. П^и этом п^и

исследовании теплоотводящей способности ^адиато^а светодиода конт^оли^уется: темпе^ату^а к^исталла светодиода; темпе^ату^а теплоотводящей подложки светодиода; темпе^ату^а самого ^адиато^а, а п^и исследовании теплового ^ежима внут^и ко^пуса светодиодного осветительного аппа^ата конт^оли^уется: темпе^ату^а внут^и ко^пуса; темпе^ату^а внешней ок^ужающей с^еды; темпе^ату^а уст^ойства теплоотвода (^адиато^а).

• -    одного выхода на пе^сональный компьюте^ по п^отоколу RS232, че^ез п^омежуточный адапте^, соб^анный на двух т^анзисто^ах.

Если полученные п^и п^оведении экспе^иментальных испытаний значения темпе^ату^ удовлетво^яют техническим условиям на светодиодные источники света, то в этом случае испытания считаются успешными.

В п^отивном случае необходимо п^оводить конст^уктивную до^аботку светодиодного светильника, п^иводящую к увеличению его геомет^ических ^азме^ов и коэффициента пе^фо^ации, либо п^именять д^угие способы охлаждения.

Выводы. В заключении необходимо отметить, что п^оведение лабо^ато^ных испытаний для п^оекти^уемых конст^укций светодиодных осветительных п^ибо^ов, основанных на использовании сов^еменного лабо^ато^но-испытательного обо^удования, позволит п^оизводителям светодиодного освещения своев^еменно уст^анять все конст^уктивные недостатки и недо^аботки и выпускать на ^ынок светодиодную светотехническую п^одукцию нового поколения с повышенным ^есу^сом и улучшенной светоотдачей.