CC BY
12ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ,
ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЕ
ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ И МАЛАЯ ЭНЕРГЕТИКА
УДК 628.931:628.95:004.383:621.1
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОПРОЦЕССОРНОГО КОНТРОЛЯ ТЕПЛОТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СВЕТОДИОДНОЙ ОСВЕТИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЫ НА ЭТАПЕ ЕЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Чернышев В.А., Новиков М.В.
ФГБОУ ВО «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина»
Аннотация. Рассмотрены специфика работы светодиодной техники и ее конструктивные особенности и характеристики, а также реалии современного производства. Обоснована одна из основных проблем термоменеджмента светодиодной отрасли, заключающаяся в снижении рабочего ресурса светодиодных источников света вследствие их перегрева, связанного с несовершенством конструкцией теплоотвода и конструкции их корпуса. Обоснована необходимость разработки новых технологий для проведения теплотехнических испытаний проектируемых конструкций теплоотвода и корпусов светодиодной аппаратуры с использованием современного лабораторно-испытателъного оборудования. Обоснована целесообразность применения микропроцессорного контроля теплотехнических параметров светодиодной осветительной аппаратуры и раскрыт принцип его функционирования.
Ключевые слова: светодиодный светильник, перегрев, теплоотвод, термоменеджмент, микропроцессорный контроль.
Введение. Превосходные светотехнические и эксплуатационные характеристики светодиодов сделали их производство самой динамично развивающейся отраслью светотехники. На сегодняшний день на основе светодиодов сегодня создаются самые разнообразные источники света: прожекторы, лампы, линейные светильники, светодиодные линейки, светосигнальные приборы и многие другие [1].
Продолжительный срок службы светодиода определяется не только качеством его изготовления, но и параметрами других узлов и конструкцией осветительного прибора. Применение современных
материалов и электронных компонентов, а также правильно спроектированные драйвер и система охлаждения позволяют довести срок службы светодиода до максимального значения, заявленного производителем [2].
Основная часть. Обеспечение оптимальной температуры светодиода (а, в конечном счете, температуры р-п перехода) в заданных пределах путем отвода тепла в светотехнической отрасли называется термоменеджментом, к сфере ведения которого относятся вопросы совершенствования не только конструкции теплоотвода, но и конструкции корпуса осветительного прибора [3, 4].
Благодаря герметичному корпусу светодиодные светильники можно эксплуатировать в запыленных помещениях с повышенным уровнем влажности. Однако, выполняя возложенную на него защитную функцию, герметичный корпус, во многих случаях, ограничивает свободную конвекцию внутреннего воздуха, что не обеспечивает светодиодным модулям оптимального теплоотвода. При высоких температурах окружающей среды (+50 °С и более), характерных для энергоемкого агропромышленного производства, температура радиатора (не светодиода, где она будет выше) будет приближаться к критической отметке (более +90 °С), что весьма существенно скажется на сроке службы светодиодов. Срок службы светодиодов значительно сокращается при увеличении их мощности.
На сегодняшний день известны факты, когда недобросовестные производители светодиодного освещения устанавливают светодиоды в уже существующие, морально устаревшие корпуса, изначально разработанные под установку люминесцентных ламп. При этом в рекламных проспектах они указывают, как правило, только срок службы светодиодов, тогда как в корпусах таких светильников из-за перегрева светодиоды работают значительно меньше заявленного для них срока службы.
Таким образом, одной из основных проблем светодиодной отрасли, является снижение рабочего ресурса светодиодных источников света вследствие перегрева светодиодов, который связан с несовершенством конструкции теплоотвода и конструкции их корпуса. И хотя производители светодиодного освещения активно используют в своем арсенале алюминиевые радиаторы различных профилей для охлаждения светодиодных кластеров (модулей) различных размеров и конфигурации, все они не способны в полной мере гарантировать защиту светодиодного источника света от перегрева и преждевременного истощения своего ресурса.
На основании вышеизложенного, обозначенная проблема термоменеджмента являются весьма актуальной для современной светодиодной отрасли. Данное обстоятельство требует разработки
новых технологии для проведения ряда теплотехнических испытании для проектируемых конструкций теплоотвода и внешних оболочек светодиодной аппаратуры с использованием современной лабораторно-испытательного оборудования.
Лабораторно-испытательное оборудование должно
обеспечивать:
- оценку эффективности теплоотводящей способности радиаторов (устройств теплоотвода) светодиодных источников света;
- оценку влияния теплопроводящей способности и габаритных размеров корпуса светильника на условия охлаждения светодиодных источников света.
Для достижения указанных возможностей схемотехникой лабораторно-испытательного стенда должно обеспечиваться:
- плавное регулирование тепловой мощности, выделяемой на термонагруженном элементе, имитаторе работы светодиодного источника света;
- непрерывное измерение температуры в разных точках теплоотвода термонагруженного элемента;
- достоверное отображение результатов измерения температуры в каждой точке теплоотвода в реальном масштабе времени;
- регулирование производительности обдува для устройств теплоотвода и для вентиляции корпуса.
Кроме перечисленных функций схемотехникой лабораторного стенда должна обеспечиваться автоматизация сбора, учета и обработки исходных и измеренных данных, а также их графическая интерпретация, что предполагает необходимость его совместимости с персональным компьютером.
Проанализировав существующие способы [5], позволяющие осуществлять контроль и регулирование температуры для различных объектов, выполненные на разной схемотехнической базе (радиоэлектронной, релейно-контактной, микропроцессорной), а также, принимая во внимание прочие специфические требования, предъявляемые к проектируемому лабораторно-испытательному стенду, авторы данной публикации предлагают использовать вариант построения схемотехники проектируемого лабораторно-испытательного стенда на базе микропроцессора АНшпо [6].
В настоящее время платформа АНшпо стала весьма популярным инструментом для проектирования электронных устройств, среди широкого круга энтузиастов научного творчества. Аёшпо - это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры. АМшпо применяется для создания электронных
устройств с возможностью приема сигналов от различных цифровых и аналоговых датчиков, которые могут быть подключены к нему, и управления различными исполнительными устройствами.
Проекты устройств, основанные на Arduino, могут работать самостоятельно или взаимодействовать с программным обеспечением на компьютере. Среда разработки программ с открытым исходным текстом доступна для бесплатного скачивания.
Для проектируемого лабораторно-испытательного стенда выбираем микроконтроллер Arduino Nano 328, который является одним из наиболее популярных и недорогих микроконтроллеров.
На рисунке 1 представлена плата микроконтроллера Arduino Nano 328 с указанием его входов и выходов.
Reset Button
RX+TX LEDs 1CSP Header/
i I / Pin 13 (L) LED
Voltage Regulator Power LED
Digital Pins —
FTDI USB Chip
Analog Reference 3.3V Output Dig rial Pin 13
Microcontroller
Mini- в use Jack
Рисунок 1 - Плата микроконтроллера Arduino Nano 328 с указанием его входов и выходов Каждый из 14 цифровых выводов Nano может настраиваться как вход или выход. Выводы работают при напряжении 5 В. Каждый вывод имеет нагрузочный резистор (стандартно отключен) 20-50 кОм и может пропускать до 40 мА.
На платформе Nano установлены 8 аналоговых входов, каждый разрешением 10 бит (т.е. может принимать 1024 различных значения). Стандартно выводы имеют диапазон измерения до 5 В относительно земли, тем не менее имеется возможность изменить верхний предел посредством функции analog Reference.
На платформе Arduino Nano установлено несколько устройств для осуществления связи с компьютером, другими устройствами
Arduino или микроконтроллерами, платформа программируется посредством ПО Arduino.
На основании технических возможностей микроконтроллера Arduino Nano 328, была разработана принципиальная электрическая схема лабораторно-испытательного стенда для исследования тепловых режимов работы светодиодной осветительной аппаратуры (см. рисунок 2).
—г
Т-. ^ .рт
Рисунок 2 - Принципиальная электрическая схема лабораторно-испытательного стенда для исследования тепловых режимов работы светодиодной осветительной аппаратуры
На схеме в верхней ее части изображен блок питания опорного напряжения + 5 вольт, далее, ниже, изображена плата микроконтроллера с подключенными к ней следующими элементами:
- тремя микросхемными датчиками температуры, являющимися стабилитронами с малым дифференциальным сопротивлением (менее 1 Ом) и напряжением стабилизации, пропорциональным абсолютной температуре;
- двумя мощными фототранзисторами, управляемых посредством гальванической развязки, один из которых выполняет функции теплонагруженного элемента (светодиода), другой управляет работой электродвигателя вентилятора;
- тремя цифровыми индикаторами температуры, позволяющими проводить один из двух видов теплового контроля. При этом при
исследовании теплоотводящей способности радиатора светодиода контролируется: температура кристалла светодиода; температура теплоотводящей подложки светодиода; температура самого радиатора, а при исследовании теплового режима внутри корпуса светодиодного осветительного аппарата контролируется: температура внутри корпуса; температура внешней окружающей среды; температура устройства теплоотвода (радиатора).
- одного выхода на персональный компьютер по протоколу RS-232, через промежуточный адаптер, собранный на двух транзисторах.
Если полученные при проведении экспериментальных испытаний значения температур удовлетворяют техническим условиям на светодиодные источники света, то в этом случае испытания считаются успешными.
В противном случае необходимо проводить конструктивную доработку светодиодного светильника, приводящую к увеличению его геометрических размеров и коэффициента перфорации, либо применять другие способы охлаждения.
Выводы. В заключении необходимо отметить, что проведение лабораторных испытаний для проектируемых конструкций светодиодных осветительных приборов, основанных на использовании современного лабораторно-испытательного оборудования, позволит производителям светодиодного освещения своевременно устранять все конструктивные недостатки и недоработки и выпускать на рынок светодиодную светотехническую продукцию нового поколения с повышенным ресурсом и улучшенной светоотдачей.
Список использованных источников:
1. Юнович А.Э. Светодиоды как основа освещения будущего / А.Э. Юнович // Светотехника. - 2003. - № 3. - С. 2-7.
2. Васильев A.B. Светодиоды-долгожители: правда или мистификация? / A.B. Васильев // Новости электроники + Светотехника. - 2010. - № 0 (1). - С.10-12.
3. Дульнев Г.Н. Тепло - и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по специальности «Конструирование и производство радиоэлектронной аппаратуры» / Г.Н. Дульнев. - М.: Высшая школа, 1984. - 247 с.
4. Шаракшанэ А. Практический тепловой менеджмент / А. Шаракшанэ // Полупроводниковая светотехника. - 2012. - №5. - С. 6674.
5. Кравченко, И.Н. Основы научных исследований: учебное пособие / И.Н. Кравченко, A.B. Коломейченко, В.Н. Логачев [и др.]. -СПб.: Изд-во Лань, 2015. - 304 с.
6. Бокселл Джон. Изучаем Arduino. 65 проектов своими руками/
Джон Бокселл. - СПб.: Питер, 2017. - 400 с.
Чернышое Вадим Алексеевич - кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение» Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина, г. Орел, Российская
Федерация, тел. 89536132255, E-mail: blackseam78@mail.ru Новиков Максим Валерьевич - магистр по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль
«Электрооборудование и электротехнологии» Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина, г.
Орел, Российская Федерация, тел. 89803623329, E-mail: maxim-2017. novikov @yandex. ru
THE USING A MICROPROCESSOR CONTROL OF THERMAL
PARAMETERS LED LIGHTING EQUIPMENT AT THE DESIGN
STAGE
Chernyshov V.A., Novikov M.V.
Annotation. The specifics of led technology and its constructive features and characteristics, and the realities of modern production are studied. One of the main problems of thermomanagement led industry, namely reduced working life of led is-source of light due to their overheating associated with the who or the device heat sink design and construction of the housing justified. The necessity of developing new technologies for thermal testing of structures design of heat sink and housing the led equipment with use of modern laboratory and test equipment have been proved. The expediency of application of microprocessor control of thermal parameters of led light characteristic of the equipment and discovered the principle of its operation have been substantiated.
Keywords: led lamp, overheat, heat sink, thermomanagement, the microprocessor control.
Chernyshov Vadim Alekseevich - Associate Professor of Electrical supply department of the Orel State Agrarian University named after NV Parahina, Orel, Russian Federation, tel. 89536132255, E-mail: blackseam78@mail.ru.
Novikov Maxim Valerevich - Master in the field of training 35.04.06 "Agroengineering", profile "Electrical equipment and electrotechnologies" Orel State Agrarian University named after NV Parahina, Orel, Russian Federation, tel. 89803623329, E-mail: maxim-2017.novikov@yandex. ru
