Светодиодная панель малой мощности с увеличенным сроком эксплуатации

СВЕТОДИОДНАЯ ПАНЕЛЬ МАЛОЙ МОЩНОСТИ С УВЕЛИЧЕННЫМ СРОКОМ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Технология для отображения информации с помощью светодиодной (Light-Emitting Diode) матрицы может  иметь разное исполнение, а сами панели при одинаковой интенсивности света могут потреблять разное количество энергии. Наши светодиодные панели представляются как панели малой мощности с увеличенным сроком эксплуатации, работающие на принципе регулировки напряжения в светодиодах. Таким образом, можно достичь существенной экономии энергии.

Введение

Каким образом можно обеспечить малую мощность светодиодных панелей, увеличив в то же время срок их эксплуатации? Существует несколько решений:

  • Использование светодиодов с высокой светимостью (обычно работает правило: чем выше яркость свечения, тем больше срок эксплуатации и, к сожалению, выше цена светодиодов).
  • Использование регулировки напряжения, когда в ситуациях отсутствия полного солнечного освещения нет необходимости расходовать излишнюю мощность на сопротивлении нагрузки и светодиодах.
  • Уменьшение количества строк и столбцов в мультиплексоре понижает необходимую силу тока через светодиоды.
  • Использование направленных светодиодов с линзой, посредством которых поток света концентрируется в одном направлении.

Принцип подключения светодиодных панелей-мультиплексоров

Для того, чтобы снизить количество составных компонентов светодиодных панелей, а также и количества входов/выходов, светодиоды подключаются к «временному» мультиплексору, причем светодиоды подключены непосредственно к матрице строк и столбцов (см. рисунок 2). Система работает таким образом, что в текущий момент времени всегда только одна строка находится под напряжением (в определенный промежуток времени можно управлять диодами только одной строки – задействован только один транзистор питания ULED1), а столбцы подключены таким образом, чтобы для них можно было выбирать, какие и как именно диоды должны в данной строке светиться (это определяют данные, сохраняемые в цепи управления светодиодов). В последующий момент засветится другая строка и изменится управление столбцами (т.е. засветятся другие светодиоды вследствие ввода новой комбинации данных в цепь управления).  Эта же система затем воспроизводится для последующих строк. Так как переключение строк происходит достаточно быстро, зрение человека не воспринимает данный эффект мультиплексирования (частота следования импульсов Tмультиплекс должна быть 50 Гц  и более).

Преимущество заключается в значительной экономии количества составных частей, недостатком же является сокращение времени обслуживания одной строки.  Если бы мультиплексирование было осуществлено для 10 строк, это означало бы, что 1 строка светит Tстрока = 1/10 от периода повторения Tmultiplex (т.е. „общее время / количество строк“). Поскольку человеческий глаз воспринимает свечение точки как усредненное значение, это означает, что в текущий момент точка должна светиться в 10 раз мощнее, чтобы соответствовать светимости точки без эффекта мультиплексирования. В результате сокращения времени питания светодиода (соответственно, его свечения), для поддержания той же яркости на светодиод должен подаваться в разы больший ток. Сокращение импульса питания светодиода может проводиться только до того момента, пока значение тока не превысит установленный изготовителем максимум.

Если величина тока, подводимого к соединению, приближается к данному значению, это может совместно с критической температурой сказаться на сроке эксплуатации целой панели.

Принцип такого подключения отображен на рис. 2, показывающем светодиодную матрицу 5х8, где отдельные строки подключены к питанию с помощью транзисторов переключения Uсветодиод 1.

Рис.1: Принцип умножения тока с временным мультиплексированием – пример усредненного значения тока, проходящего через светодиод.

Рис.1: Принцип умножения тока с временным мультиплексированием – пример усредненного значения тока, проходящего через светодиод.

Рис.2: Мультиплексирование светодиодов в матрице 5x8.

Рис.2: Мультиплексирование светодиодов в матрице 5x8.

Срок службы светодиодов

Существует несколько факторов, оказывающих влияние на срок службы светодиодов, который зависит от критической температуры (температуры окружающей среды) и от проходящего тока, и, соответственно, рассеиваемой мощности при свечении:

Влияние температуры окружающей среды

Рис.3: Влияние температуры окружающей среды на допустимый ток светодиода в пропускном направлении (без деградации свойств).

Рис.3: Влияние температуры окружающей среды на допустимый ток светодиода в пропускном направлении (без деградации свойств).

Срок службы светодиода определяется критической температурой светодиода (соответствующей температурой окружающей среды) и проходящим током IF. График на рисунке 3 показывает, что при увеличении температуры окружающей среды происходит уменьшение допустимого постоянного тока, проходящего светодиодом в пропускном направлении так, чтобы не происходила деградации светимости светодиода и, следовательно, не сокращался срок службы.

На рис. 3 приведены характеристики двух светодиодов, обладающих приблизительно одной и той же светимостью, которые при прохождении тока 20 мА излучают с интенсивностью 1 Кд. Каждый из них, однако, по-разному ощущает влияние окружающей среды на величину допустимого тока. Светодиод № 1 (черная линия) позволяет достигать полной светимости при прохождении тока 20 мА даже при температуре 100°C без того, чтобы происходила преждевременная деградация характеристик светодиода (такие качественные диоды используются в наших светодиодных панелях VLP 19 – зеленый цвет). Согласно графику, изображенному на рисунке 3, мы можем использовать светодиод № 2 (красная линия) при той же интенсивности света 1 Кд, с прохождением соответствующего тока в 20 мА только до температуры окружающей среды, приблизительно равной 50° C. При высшей температуре и полном уровне свечения происходит постепенная деградация светодиода и сокращение срока его службы.

Если мы поместим информационную светодиодную панель, содержащую диоды LED-2 в места, где нет прямого солнечного освещения, панель не станет нагреваться, а вероятность того, что температура панели превысит 50°C, будет минимальной. В случае если панель станет подвергаться воздействию прямых солнечных лучей, платы с диодами в солнечно жаркий день, даже не работая, будут нагреваться под солнцем вплоть до температуры 50°C – 65°C и светодиод LED-2, таким образом, не сможет нормально работать в таких условиях.

Влияние напряжения на критическую точку светимости

На последующем рисунке 5 отображена зависимость интенсивности излучаемого светового потока Iv от проходящего электрического тока IF , соответственно которому данный тип светодиодов при токе 20 мА излучает с интенсивностью 1 Кд. Другими словами, интенсивность света почти прямо пропорциональна  проходящему току.

На предыдущем рисунке 4 отображена характеристика зависимости светимости светодиода от напряжения при критической величине проходящего тока. Хорошо видно, как при соответствующем токе растет напряжение, и, следовательно, и рассеиваемая мощность.

Рассеиваемая мощность в светодиодах в зависимости от светимости

Из рисунков 4 и 5 видно, что величина рассеиваемой мощности в светодиоде в зависимости от светимости растет нелинейным образом. Нижеприведенная таблица показывает, что при требуемой высокой светимости необходимо гораздо больше энергии для того, чтобы светодиод светил интенсивнее. Эта зависимость отображена на рис. 4, где на вертикальной оси указана светимость светодиодов в мКд, а на горизонтальной оси указаны рассеиваемая мощность в мВт.

Эта зависимость очень негативно проявляется в частности для полей мультиплексированных светодиодов, когда отдельные диоды последовательно зажигаются в пределах одного интервала времени и для такого же уровня свечения, тогда как без мультиплексирования способны излучать, например, в 20 раз больше энергии (при мультиплексировании 1 : 20). К примеру, при постоянном излучении в 200 мКд, рассеиваемая мощность на одном светодиоде будет 8 мВт, а при мультиплексировании 1:20 – 266 / 20, т.е. 13,3 мВТ на диод. Таким образом, происходят намного более сильные потери на светодиодах (в данном случае — больше 50 %), следовательно, диоды намного сильнее перегреваются и деградируют (зависимость светимости светодиода от проходящего тока не линейная, но с более высоким током снижается).

Влияние последовательных сопротивлений

Как видно из рис. 2, для уравновешивания тока, проходящего через отдельные соединенные диоды, в светодиодной матрице используются так называемые последовательные сопротивления. Они необходимы потому, что при производстве нельзя обеспечить, чтобы все переходы светодиодов имели аналогичные свойства, и поэтому при одном и том же напряжении VF излучали одинаково. Напротив, намного проще обеспечить, чтобы светодиоды одинаково излучали при одном и том же токе IF. Таким образом, эти последовательные сопротивления имитируют простые источники тока.

Рис. 8: Принцип подключения светодиодов.

Рис. 8: Принцип подключения светодиодов.

Каков существенный недостаток использования последовательных сопротивлений? Это их рассеиваемая мощность, поскольку через них, согласно вышеуказанной схеме, проходит тот же ток, как и через диод, и это означает, что чем больше ток, тем выше потери. Также известно правило, что чем выше уровень мультиплексирования диодов – тем больше суммарный ток (см. рис. 1, отображающий среднее значение тока).

Рис.9: Пример стандартного решения (источник +5В) и разработки фирмы Herman (контролирующий регулятор 2,3В).

Рис.9: Пример стандартного решения (источник +5В) и разработки фирмы Herman (контролирующий регулятор 2,3В).

Потери на последовательных сопротивлениях следующие:

Для стандартного решения питания +5 В при токе IF = 20 мA и напряжении на светодиоде UF = 2,2 В

рассеиваемая мощность на последовательном сопротивлении равна 140 Ом при Pпоследовательный = 56 мВт.

При использовании управляемого регулятора (разработка фирмы Herman) напряжение на регулируемом источнике питания для светодиодов 2,3 В. При токе через диод IF = 20 мA  и напряжении на светодиоде UF = 2,2 В

рассеиваемая мощность на последовательном сопротивлении равна 5 Ом на Pпоследовательный = 2 мВт.

Из вышеуказанного следует существенная потеря мощности на последовательных сопротивлениях при „классическом“ решении источника питания и почти отсутствие потерь для светодиодных панелей фирмы Herman с точной регулировкой напряжения. Эта потеря будет еще более увеличена вследствие использования временного мультиплексирования, поскольку требование к току в случае последовательных сопротивлений существенно возрастет.

В следующей таблице №2 описана зависимость рассеиваемой мощности от яркости светодиода при разном временном мультиплексировании переключения строк – скважности. Из таблицы также следует, что чем больше уровень мультиплексирования, тем больше рассеиваемая мощность на одну точку свечения. Это связано с тем, что с возрастанием тока растет и напряжение на диоде. Этот эффект усиливается вследствие использования уравновешивающих сопротивлений, которые размещены последовательно со светодиодами. Эти серийные сопротивления существенно влияют на рассеиваемую мощность одной точки свечения.

Рис .10: Зависимость рассеиваемой мощности точки свечения от мультиплексирования светодиодов  при последовательном сопротивлении 10 Ом и 40 Ом.

Рис .10: Зависимость рассеиваемой мощности точки свечения от мультиплексирования светодиодов при последовательном сопротивлении 10 Ом и 40 Ом.

*) в общее сопротивление включены также сопротивления переключаемых элементов (транзисторов и выходных проводов в цепи управления).

Вывод прост – чем выше уровень мультиплексирования матрицы светодиодов, тем меньше использовано компонентов и тем меньшими становятся производственные затраты. Недостатком является большее потребление энергии панелью и меньший срок эксплуатации панели (большой ток вызывает быстрое старение светодиодов).

Это приводит к тому, что преимущество низкой цены сведется на нет большим энергопотреблением и короткой продолжительностью жизни. Иными словами, клиент, по сути, заплатит намного больше, нежели бы изначально приобрел более качественные панели.

Именно поэтому мы ввели в производство светодиодные панели, имеющие последовательное сопротивление около 5 Ом и малый уровень мультиплексирования, что обеспечивает гораздо меньшие потери по сравнению с классическими конструкциями.

Способы регулировки яркости светодиодной панели

Как уже отмечалось, отдельные точки светодиодной панели засвечиваются с помощью „временного“ мультиплексирования (строки × столбцы). Для возможности регулировки их светимости обычно используется изменение скважности, или же, в случае наших панелей, изменение величины напряжения питания (снижает потери и увеличивает срок службы).

Регулировка яркости с использованием изменяемой скважности

Рис.11: Пример регулирования среднего значения проходящего в светодиоде тока.

Рис.11: Пример регулирования среднего значения проходящего в светодиоде тока.

Наиболее часто используемым способом управления светодиодами в панелях (для остановок или же транспортных средств) является управление яркостью изменением скважности временного мультиплексирования для данной строки (период Tстроки.). Первоначальный интервал для временного мультиплексирования Tстрока делится на два подинтервала:

Ta – интервал, когда подается напряжения питания,

Tm – интервал, когда напряжение питания уже отключено.

Именно благодаря изменению скважности периода подачи питания – т.е. соотношения между интервалами Ta и Tm, можно простым образом регулировать яркость. С изменением скважности происходит изменение величины усредненного тока Iсред, проходящего через диод. Это изменение заметно для глаза человека, воспринимается как снижение яркости светодиода, причем светодиод излучает так же, но в течение меньшего отрезка времени.

Этот способ управления питанием с использованием режима изменения скважности работает согласно тому принципу, что через диод протекает максимальный ток, необходимый для наибольшей яркости светодиода. Яркость обычно соответствует светимости светодиода при полном солнечном освещении. Регулировка светимости осуществляется путем сокращения интервала прохождения импульса тока.

Потери эффективности работы системы всегда максимальны и соответствуют значениям в таблице № 2. Эффективность панели не зависит от скважности – процентное соотношение потерь является почти постоянным, не зависит от светимости и увеличивается с возрастающим уровнем мультиплексирования – чем больше значение, тем выше ток коммутирования – и тем большие потери на последовательном сопротивлении и в светодиоде.

Более высокие потери вызываются более высокими температурами и эта проблема должна быть устранена для панели, иначе существует опасность ее перегрева и ускоренного старения оборудования.

Регулировка яркости путем изменения напряжения

Зачем осуществлять точную регулировку напряжения на светодиодах?

По сравнению с управлением, использующим изменение скважности в подаче питания, данная точная регулировка напряжения обеспечит минимизацию последовательного сопротивления. Это позволит существенно сократить потери энергии в панели – см. таблицу № 2, когда, например, при мультиплексировании 1:10 разница в эффективности составляет 300 % !!!

Более того, при регулировке напряжения на светодиодах со снижением необходимой светимости растет эффективность соединения – см. рисунки 3 и 4, поскольку снижается величина тока, проходящего через последовательные сопротивления и диод, что и увеличивает срок его службы.

В условиях слабого освещения, когда необходимо меньшее излучение светодиодов, надлежит инициировать временное мультиплексирование и регулирование напряжения, поскольку изготовители светодиодов не всегда гарантируют надлежащее поведение диодов при очень низком токе. Таким образом, можно предотвратить неравномерную светимость светодиодной панели – но это касается только приблизительно 1/20 от максимальной светимости панели.

Пассивное снижение яркости выбором светодиодов

Одним из важных параметров подбора светодиодов для информационных панелей является также выбор используемой оптической линзы. Этот фактор оказывает влияние на характеристику излучаемого света, касается направления информационных панелей и влияет на считываемость под разными углами. Оба типа диодов обладают своими плюсами и минусами, с учетом которых необходимо знать, где и каким способом будут использоваться диоды.

Кроме оптических свойств в использовании линз в светодиодах этот параметр оказывает влияние и на общее энергопотребление, в частности для достижения той же яркости светодиодов используются диоды с направленным потоком света (светодиод с линзой, угол  излучения 90°). Для достижения такой же яркости в диодах с большим углом излучения, необходима более высокая мощность, которая увеличивается с возрастающим углом излучения.

Для сравнения,  ниже указаны параметры и характеристики используемых светодиодов от фирмы OSRAM. Из характеристик их излучательных способностей проистекает различие в световых характеристиках при использовании светодиодов с линзой с разными углами излучения. Из этого следует, что, например, для лобовых светодиодных панелей на транспортных средствах уместно использовать панели с линзой и таким образом значительно экономить в электроэнергии.

Угол излучения 30° 55° 120°
Цвет Красный (625 нм) Красный (625 нм) Красный (625 нм)
Напряжение в пропускном направлении IF= 20 мА 1,8 – 2,4 В 1,8 – 2,4 В 1,8 – 2,4 В
Яркость 1650 мКд 1030 мКд 750 мКд

При сравнении углового распределения излучения отдельных типов диодов видны значительные различия в случае использовании светодиодов с линзой или без нее. Самая большая разница для человека, читающего со светодиодной панели под разными углами излучения, заключается в разной видимости изображения с панелей под разными углами. В информационных панелях, предназначенных для отображения текста, необходимо, невзирая на угол, использовать светодиоды без линз (так называемые плоские светодиоды) с углом излучения >90°. В таком случае текст различим издалека. Такие светодиоды подходят для использования в информационных панелях на остановках.

Разработка светодиодных панелей фирмы Herman

При реализации наших светодиодных панелей (для транспортных средств и остановок) мы придерживаемся таких принципов:

  • максимального снижения потерь мощности на последовательном сопротивлении (последовательное сопротивление имеет величину около 5 Ом), вследствие чего значительно снижается энергопотребление всей панели,
  • прецизионного регулирования напряжения в светодиодах (увеличивает срок службы панелей)
  • малого уровня мультиплексирования (отсутствие перегрузок светодиодов большим током при мультиплексировании)

В этом состоит причина того, почему мы можем гарантировать срок службы панелей продолжительностью в 10 лет.

Точное регулирование – MELP 3x

Рис. 15: Точно регулируемый преобразователь MELP - 31.

Рис. 15: Точно регулируемый преобразователь MELP - 31.

В наших светодиодных панелях мы используем разработанный нашей же фирмой регулируемый источник MELP (Преобразователь электронных информационных панелей), обеспечивающий точную регулировку напряжения на светодиодах. Регулятор имеет очень высокий КПД (свыше 90 %) и в своей работе не нуждается в теплоотводе (содержит вентилятор из соображений увеличения срока службы электролитических конденсаторов).

Регулируемыми источниками MELP серии 3x можно управлять дистанционно, считывать с них информацию и настраивать их не только с помощью локального блока управления, но и с диспетчерской панели. Они позволяют дистанционно проверять состояние светодиодных панелей, включая суммарно потребляемый ток, температуру и дистанционно выполнять настройку. Одной из возможностей является режим „hot-swap“, который в случае отсутствия основного питания, обеспечивает питание системы от аккумуляторов.

Параметры преобразователь MELP – 3x
Входное напряжение / ток 12 В / 20A
Выходное напряжение / ток 1,6 – 4,5 В / 70 A
Эффективность >90%
Устойчивость  к короткому замыканию ДА – Электронный предохранитель
Измерение температуры Да (точность 1°C) – Температура преобразователей прямо пропорциональна размеру светодиода и температуре окружающей среды
Регулировка входного напряжения в 256 шагов

Расчет экономии потребления энергии при использовании MELP

Прецизионный регулируемый источник MELP 3x  позволяет точно регулировать напряжение для светодиодов в панели.

Если в нашей информационной панели будет отсутствовать такая регулировка (8000 светодиодов – разрешение панели 50  × 160 точек), то излучаемая мощность равна (при потере мощности 0,5 Вт на светодиодах, соединяемых или последовательных сопротивлениях, соотношение мультиплексирования 1:10, питание  +5 В):

можно рассчитать излучаемую мощность (потерю мощности) по следующей формуле:

Потеря мощности без регулировки:

P = количество светодиодов * потеря мощности на диоде / мультиплексоре

P = 8000 * 0,5/10

P = 400 Вт

Если же мы используем решение с нашей разработки с точным регулятором MELP 3x, нет необходимости применять большие нагрузочные сопротивления. Ток, проходящий через светодиод при той же светимости (500 мКд), при мультиплексировании 1:4 составляет всего 40 мА. Другое отличие состоит в том, что с увеличивающимся током, проходящим через светодиод, резко возрастает напряжение на диоде. Падение напряжение при такой светимости диода составляет 2,2 В, т.е. потеря мощности равна 0,090 Вт. Таким образом потери в последовательных сопротивлениях составляют 0,025 Вт. Эта же панель таким образом имеет при той же светимости мощность:

Потеря мощности при использовании MELP-31

P = количество светодиодов * потеря мощности на диоде / мультиплексоре

P = 8000 * 0,09/4

P = 180 Вт (что соответствует экономии 55 % энергии)

Из этих расчетов следует, что с помощью надлежащего применения временного мультиплексирования излучения диодов и точной регулировки напряжения можно сэкономить почти половину энергии по сравнению со стандартными конструкциями от наших конкурентов.

Вывод

Целью данной статьи было наглядно показать, что наше утверждение о малой потребляемой мощности и увеличенном сроке службы наших панелей основано на весомых аргументах. Все вышеперечисленные свойства также подкреплены выбором подходящих светодиодов, которые сами по себе обеспечивают длительный срок службы. Вследствие того, что мы не превышаем предельные значения величин, не происходит деградация свойств и увеличивается срок службы.