Ing. Ivo Herman, CSc. Brněnská 993 tel. +420 545 214 226 664 42 Modřice fax. +420 545 214 268 www.herman.cz herman@herman.cz Nízkopříkonové LED panely s prodlouženou životností Technologie pro zobrazení informací pomocí matice LED (Light-Emitting Diode) diod může být různě provedena a tyto panely mohou mít různou spotřebu při stejné svítivosti. Naše panely jsou uváděny jako nízkopříkonové s prodlouženou životností a pracují na principu regulace napětí na LED diodách. Tím dochází k velké úspoře energie. Zkusme proto provést v následujícím článku jejich srovnání. Obsah 1. Úvod...2 2. Princip zapojení LED panelů multiplex...2 3. Životnost LED...3 3.1. Vliv teploty okolí...3 3.2. Vliv napětí na svítivý přechod...4 3.3. Ztrátový výkon na LED v závislosti na svítivosti...5 4. Vliv předřadných odporů...6 5. Způsoby regulace jasu LED panelů...8 5.1. Regulace jasu s využitím změny střídy...8 5.2. Regulace jasu změnou napětí...9 6. Pasivní snížení jasu volbou LED...9 7. Řešení LED panelů firmy Herman... 10 7.1. Precizní regulace MELP 3x... 10 7.2. Výpočet úspory spotřeby energie při použití MELP... 11 8. Závěr... 12
1. Úvod Jakým způsobem lze zajistit nízkopříkonovost LED panelů? Řešení je několik a je třeba je zkombinovat: Použitím LED diod s vysokou svítivostí (obvykle čím vyšší svítivost a delší životnost, tím bohužel vyšší cena LED). Použitím regulace napětí, kdy pro situace, kdy není plný sluneční svit, není nutno mít velké ztrátové výkony na srážecích odporech a LED diodách. Snížení počtu LED v multiplexu snižuje nutné proudy přes LED diody. Použitím směrových LED diod s čočkou, kdy světelný tok je koncentrován do jednoho směru. 2. Princip zapojení LED panelů multiplex Z důvodu snížení počtu součástek LED panelu a úspory vstupů/výstupů se svítivé diody zapojují do časového multiplexu, přičemž LED diody jsou zapojeny do matice řádků a sloupců (viz. obrázek č. 2). Systém funguje tak, že v daném okamžiku je vždy pouze jeden řádek pod napětím (v jeden časový úsek lze řídit pouze diody v jednom řádku sepnut příslušný tranzistor napájení U LED1 ) a sloupce jsou zapnuty tak, že na nich je zvoleno, které diody a jak mají na tomto řádku svítit (toto určují data uložená v řídicím obvodu LED). V dalším okamžiku se pak rozsvítí druhý řádek a změní se řízení sloupců (tj. rozsvítí se jiné LED následkem zapsání nové kombinace dat do řídicího obvodu). Tento systém se pak opakuje pro následující řádky. Protože toto přepínání řádků se děje dostatečně rychle a lidské oko tento efekt multiplexu řízení nepozná (opakovací frekvence T multiplex musí být 50 Hz a vyšší). Výhodou je značná úspora součástek nevýhodou pak, že se snižuje čas obsluhy jednoho řádku. Pokud by byl multiplex proveden pro 10 řádků, pak to značí, že 1 řádek svítí T řádek = 1/10 doby opakovací frekvence T multiplex (tj. celkový čas / počet řádků ). Protože lidské oko vnímá svit bodu jako střední hodnotu, značí to, že v daný okamžik musí bod svítit 10x více, aby svítil shodně jako bod bez multiplexu. V důsledku tak zkrácení doby napájení LED diody (jejího svitu), musí být na diodu pro zachování stejného jasu přiveden násobně vyšší proud. Zkracování napájecího pulzu diody lze provádět pouze do okamžiku, dokud hodnota proudu nepřekročí výrobcem stanovené maximum. Pokud se k této hodnotě proud zapojení přibližuje, může to mít vliv spolu s teplotou přechodu na životnost celého panelu. Princip tohoto zapojení je zobrazen na následujícím obrázku č. 2, kde je vyobrazena matice LED 5 8, u které jsou jednotlivě napájeny samostatné řádky pomocí tranzistorů spínajících U LED1. Obrázek 1: Princip násobení proudu v časovém multiplexu ukázka střední hodnoty proudu LED diodou. - 2 -
Obrázek 2: Multiplex LED diod u matice 5x8. 3. Životnost LED Faktorů ovlivňujících životnost LED diod je několik. Závisí na teplotě přechodu (okolí) a na protékaném proudu, resp. na ztrátovém výkonu diody při jejím svitu: 3.1. Vliv teploty okolí Životnost LED diod je dána teplotou svítivého přechodu diody (resp. teplotou okolí) a protékajícím proudem I F. Z následujícího grafu na obrázku č. 3 je zřejmé, že při zvyšování teploty okolí dochází ke snížení povoleného trvalého proudu diodou LED v propustném směru tak, aby nedocházelo k degradaci svítivosti LED diod a tím i ke zkrácení životnosti. - 3 - Obrázek 3: Vliv teploty okolí na povolený proud diodou LED v propustném směru (nedegradující vlastnosti).
Na obrázku č. 3 jsou uvedeny charakteristiky dvou LED diod, které mají přibližně shodnou svítivost a to při průtoku proudu 20 ma svítí intenzitou 1 Cd. Každá z nich má však jiný průběh vlivu okolí na povolený proud. LED č. 1 (černá čára) umožňuje plnou svítivost při průchodu proudu 20 ma ještě při 100 C, aniž by docházelo k předčasnému stárnutí diody (tato kvalitní dioda je použita v našich LED panelech VLP 19 barva zelená). Dle grafu na obrázku č. 3 můžeme použít LED č. 2 (červená čára) pro stejný svit 1 Cd daný průchodem proudu 20 ma pouze do teploty okolí cca 50 C. Při vyšší teplotě a plném svitu již dochází k postupné degradaci diody a snížení její životnosti. Pokud bychom informační LED panel obsahující diody LED-2 umístili do prostor, kde na panel nebude svítit slunce, pak se nebude panel ohřívat a pravděpodobnost, že překročí teplotu desky 50 C je minimální. V případě, že bude panel vystaven přímému slunci, pak se desky s diodami v horkém dni i bez provozu vyhřejí sluncem na 50 C 65 C a dioda LED-2 tak nebude do tohoto prostředí použitelná. 3.2. Vliv napětí na svítivý přechod Na následujícím obrázku č. 5 je vztah závislosti intenzity světelného toku Iv na základě protékajícího proudu IF pro tzv. 20 ma LED diody. Z grafu je zřejmé, že pro ukázkový typ LED diody platí, že při proudu 20 ma svítí intenzitou 1 Cd. Jinými slovy intenzita světla je téměř přímo úměrná protékajícímu proudu. Na vedlejším obrázku č. 4 je znázorněna charakteristika závislosti napětí na svítivém přechodu LED diody a protékajícího proudu. Je vidět jak pro odpovídající proud roste napětí na diodě a tím i ztrátový výkon. Obrázek 5: Závislost protékajícího proudu I F na napětí V F na LED diodě. Obrázek 4: Závislost svítivosti LED diody na protékajícím proudu. - 4 -
3.3. Ztrátový výkon na LED v závislosti na svítivosti Na základě obrázků č. 4 a č. 5 je vidět, že velikost ztrátového výkonu na diodě v závislosti na svítivosti roste nelineárně. Z níže uvedené tabulky zřejmé, že s požadovanou vyšší svítivostí je třeba mnohem více energie k tomu, aby LED dioda více svítila. Tato závislost je zachycena na obrázku č. 4, kde na svislé ose je svítivost diod v mcd, na vodorovné ose jsou vyneseny ztrátové výkony v mw. Tato závislost se velmi negativně projeví zejména u multiplexovaných polí LED diod, kdy jednotlivé diody jsou postupně rozsvěcovány v rámci jednoho časového intervalu a pro stejný svit jako bez multiplexu potřebují naráz vyzářit např. až 20 x více energie (platí při multiplexu 1 : 20). Pokud uvedeme příklad, tak při trvalém svitu 200 mcd bude na LED diodě ztrátový výkon 8 mw, při multiplexu 1:20 pak 266 / 20, tj. 13,3 mw na diodu. Dochází tak k mnohem větším ztrátám na LED diodách (v tomto případě o více jak 50%) a tím ke snadnějšímu přehřívání diod a jejich rychlému stárnutí (závislost svitu LED na procházejícím proudu není lineární, ale s vysokým proudem se snižuje). Svítivost diody [mcd] Proud diodou [ma] Napětí na přechodu [VF] Ztrátový výkon [mw] 100 2,8 1,8 5 200 4,5 1,83 8 300 6,5 1,86 12 500 10,2 1,92 20 1000 20 2,05 41 4500 4000 3500 3000 2500 2000 teoretická lineární svítivosti na příkonu skutečná závislost svítivosti na příkonu 2000 40 2,3 92 1500 3000 65 2,55 166 4000 95 2,8 266 1000 500 Tabulka 1: Závislost svítivosti LED diod na výkonu potřebném k dosažení svitu. 0 0 100 200 300 Obrázek 6: Graf závislosti svítivosti na ztrátovém výkonu. - 5 -
4. Vliv předřadných odporů Jak je vidět na obrázku č. 2, tak pro vyrovnání tekoucího proudu jednotlivými diodami se v zapojení LED matice používají tzv. předřadné odpory. Jsou nutné z toho důvodu, že nelze ve výrobě zaručit, že všechny přechody LED diod mají shodné vlastnosti, a proto při stejném napětí V F svítí stejně. Naopak mnohem snadněji lze zaručit, že LED diody budou shodně svítit při stejném proudu I F. Proto tyto předřadné odpory emulují jednoduché zdroje proudu. Obrázek 7: Princip zapojení LED diod. Jaká je zásadní nevýhoda použití předřadných odporů? Jejich ztrátový výkon, protože přes ně dle výše uvedeného obrázku teče shodný proud jako diodou a to značí, že čím větší proud, tím vyšší ztráty. Dále pak platí čím vyšší multiplex diod tím vyšší proud (viz. obrázek č. 1 ukazující střední hodnotu proudu). Obrázek 8: Ukázka standardního řešení (zdroj +5V) a řešení firmy Herman (řízený regulátor 2,3V). Ztráty na předřadných odporech jsou následující: Pro standardní řešení napájení +5 V při proudu I F = 20 ma a napětí na LED diodě U F = 2,2 V je Ztrátový výkon na předřadném odporu 140 Ohm na P předřadný = 56 mw Při použití řízeného regulátoru (řešení firmy Herman) se nastaví napětí regulovaného napájecího zdroje LED diod na 2,3V. Při proudu diodou I F = 20 ma a napětí na LED diodě U F = 2,2 V je Ztrátový výkon na předřadném odporu 5 Ohm na P předřadný = 2 mw. Z toho je zřejmá značná ztráta výkonu na předřadných odporech při klasickém řešení napájení a téměř bezeztrátové řešení pro LED panely firmy Herman s přesnou regulací napětí. Tato ztráta se ještě - 6 -
umocní použitím časového multiplexu, protože požadavek na proudy přes předřadné odpory se ještě mnohem zvýší. V následující tabulce č. 2. jsou popsány závislosti jasu LED na ztrátovém výkonu při použití různého časového multiplexu přepínání řádků - střídy. Z tabulky plyne, že čím větší je multiplex, tím větší je ztrátový výkon na jeden svítivý bod. Je to dáno tím, že s větším proudem roste i napětí na diodě. Tento efekt je umocněn právě použitím vyrovnávacích odporů, které jsou umístěny v sérii s LED diodami. Tyto sériové odpory dosti výrazně ovlivňují ztrátový výkon jednoho svítivého bodu. Tabulka 2: Závislost ztrátového výkonu svítivého bodu na multiplexu LED diod a předřadném odporu pro hodnotu předřadného odporu 10 Ohm a 40 Ohm. Multiplex (střída 1:x) Svítivost diody [mcd] Proud diodou [ma] Napětí na přechodu [VF] Ztrátový výkon LED [mw] Ztrátový výkon LED + odpor 10 Ohm*) [mw] Ztrátový výkon LED + odpor 40 Ohm*) [mw] 1 300 6,5 1,86 12,1 13 14 2 600 13 1,94 12,6 14 19 3 900 19 2,03 12,9 17 27 4 1200 25 2,08 13 19 38 5 1500 30 2,18 13,1 22 49 6 1800 36 2,28 13,7 27 66 7 2100 43 2,33 14,3 33 88 8 2400 50 2,4 15 40 115 9 2700 57 2,46 15,6 48 146 10 3000 64 2,54 16,3 57 180 *) do odporu jsou započítány i odpory spínaných prvků (tranzistorů i výstupů v obvodech řízení). Závěr je jednoduchý - čím vyšší je multiplex matice LED diod, tím méně je použito součástek a tím jsou i výrobní náklady nižší. Nevýhodou je vyšší spotřeba panelu a kratší životnost panelu (větší proudy způsobují rychlejší stárnutí LED diod). Tím dojde k tomu, že nižší cena je vykoupena vyšší spotřebou a kratší životností. Jinými slovy zákazník v podstatě zaplatí mnohem více, než když koupí již od začátku kvalitnější panely. Proto jsme zavedly do výroby LED panely, které mají předřadný odpor okolo 5 Ohm a malý multiplex a tím mají násobně nižší ztráty oproti klasickému řešení. - 7 -
5. Způsoby regulace jasu LED panelů Jak již bylo uvedeno, jednotlivé body LED panelů jsou rozsvěcovány časovým multiplexem (řádky x sloupce). K možnosti regulaci jejich svitu se používá buď standardně změna střídy anebo u našich panelů i změna velikosti napájecího napětí (snižuje ztráty a prodlužuje životnost). 5.1. Regulace jasu s využitím změny střídy Nejpoužívanějším způsobem řízení svitu LED diod v panelech (zastávkových či vozidlových) je řízení jasu změnou střídy napájecího napětí v době multiplexu na daném řádku (perioda T řádek.. ). Původní interval z časového multiplexu T řádek.. se dále rozdělí na dva podintervaly: T a - interval, kdy je přiváděno napájecí napětí, T m interval, kdy je již napětí vypnuto. Právě díky změně střídy napájecí periody tj. poměru mezi intervaly T a a T m lze jednoduše regulovat jas. Při změně střídy dochází ke změně střední hodnoty proudu I str tekoucí diodou a tuto změnu lidské oko vyhodnotí jako snížení svitu LED, přičemž tato svítí stále stejně, ale jen po kratší dobu. Tento způsob řízení napájení s využitím změny střídy pracuje na principu, že diodou vždy protéká maximální proudu nutný pro maximální jas LED diody. Ten obvykle odpovídá svitu LED diody obvykle na plném slunci. Regulace svitu se pak děje pouhým zkrácením intervalu průchodu proudu. Výkonnostní ztráty v systému tak jsou vždy maximální a odpovídají hodnotám z tabulky č. 2. Účinnost panelu nezávisí na střídě procento ztrát je téměř konstantní a nezávislé na svitu a zvyšuje se v závislosti na multiplexu čím vyšší hodnota tím vyšší spínaný proud tím vyšší ztráty na předřadném odporu a na LED diodě. Obrázek 9: Ukázka regulace střední hodnoty protékajícího proudu LED diodou. Vyšší výkonové ztráty vyvolávají větší teplo a toto musí být z panelu odstraněno nebo bude hrozit jeho přehřátí a tím i dřívější stárnutí. - 8 -
5.2. Regulace jasu změnou napětí Proč provádět precizní regulaci napětí na LED diodách? Oproti řízení využívající změnu střídy toto přesné řízení napětí zajistí, že lze minimalizovat předřadný odpor. Tím se velmi výrazně sníží ztráty v panelu viz. tabulka č. 2., kde např. u multiplexu 1:10 je rozdíl v účinnosti až 300 %!!! Navíc u napěťové regulace LED diod dochází k tomu, že se snižujícím se požadovaným svitem účinnost zapojení stoupá viz obrázky č. 3 a č. 4, protože klesá i proud tekoucí předřadnými odpory a diodou, což prodlužuje i její životnost. Při opravdu temném okolí, kdy je vyžadován malý svit LED diod, je nutno zahájit časový multiplex i u regulace napětí, protože výrobci LED diod ne vždy zaručují chování diod při velmi malých proudech. Zabrání se tak nerovnoměrnému svitu LED panelu toto však platí při cca 1/20 maximálního svitu panelu. 6. Pasivní snížení jasu volbou LED Jeden z důležitých parametrů výběru LED diod pro informační panely je také volba použité optické čočky. Tento parametr ovlivňuje směrovou charakteristiku vyzařujícího světla a v rámci informačních panelů pak čitelnost z různých úhlů. Oba typy diod mají své klady a zápory, kvůli kterým je potřeba znát, kde a jakým způsobem budou diody použity. Mimo optické vlastnosti použití čoček u LED diod má tento parametr dopad i na celkovou spotřebu. A to kvůli dosažení stejného jasu LED při použití diod se směrovou vyzařovací charakteristikou (LED s čočkou, vyzařování <90 ) nebo použití diod s všesměrovou charakteristikou vyzařování (LED bez čočky tzv. ploché LED, vyzařování >90 ). Pro dosažení stejného jasu u diod s větším vyzařovacím úhlem jako je u diod s malým vyzařovacím úhlem, je potřeba vyššího příkonu, který se zvětšujícím vyzařovaným úhlem roste. Pro srovnání jsou níže uvedeny parametry a vyzařovací charakteristiky používaných LED firmy OSRAM. Z vyzařovacích charakteristik je zřejmé, jaký rozdíl v osvitu je při použití LED s čočkou s různým vyzařovacím úhlem. Z toho plyne, že např. pro čelní LED panely na vozidlech je vhodné používat panely s čočkou a výrazně tak šetřit elektrickou energii. Tabulka 3: Závislost svítivosti LED diod na provedení diody použití čočky. Vyzařovací úhel 30 55 120 Barva Červená (625 nm) Červená (625 nm) Červená (625nm) Napětí v prop. směru I F = 20mA 1,8 2,4V 1,8 2,4 V 1,8 2,4V Jas 1650 mcd 1030 mcd 750 mcd - 9 -
Obrázek 11: LED s čočkou 30. Obrázek 12: LED s čočkou 55. Obrázek 10: Plochá LED dioda 120 o. Při porovnání vyzařování jednotlivých typů diod jsou patrné značné rozdíly při použití LED s čočkou nebo bez ní. Největší rozdíl pro pozorovatele LED s různými vyzařovacími úhly je v jejich čitelnosti z různých úhlů. V informačních panelech určených pro zobrazení textu bez ohledu na úhel je nutno použít LED diody bez čočky (tzv. ploché LED) s vyzařovacím úhlem > 90. Tehdy je vidět text z širokého okolí panelu. A takovéto LED jsou vhodné pro použití v zastávkových informačních panelech. Oproti tomu použití LED s čočkou kdy je vyzařující úhel < 90 bývá text hůře čitelný z okolí. Proto jsou takové LED vhodnější pro použití v čelních vozidlových panelech, kdy je třeba, aby vyobrazené informace byly čitelné na co největší přímou vzdálenost. U takovýchto panelů lze výrazně snížit celkový příkon při zachování stejné čitelnosti na dálku jako u použití LED bez čočky, kdy by svit led do velkých bočních úhlů byl nežádoucí. 7. Řešení LED panelů firmy Herman Při realizaci našich LED panelů (vozidlových i zastávkových) jsme se vydali cestou: co největším snížením úbytku výkonu na předřadném odporu (předřadný odpor má hodnotu okolo 5 Ohm) a tím se výrazně snižuje spotřeba celého panelu, precizní regulací napětí na LED diodách (prodlužuje životnost panelů) malým multiplexem (nepřetěžování LED diod velkými proudy při multiplexu) To je důvod, proč můžeme zaručit životnost panelů po dobu 10 let. 7.1. Precizní regulace MELP 3x V našich LED panelech používáme námi vyvinutý regulovatelný zdroj MELP (Měnič ELektronických informačních Panelů), který zajišťuje precizní regulaci napětí na LED diodách. Regulátor se vyznačuje velmi vysokou účinností (více jak 90%) a pro svoji funkci nepotřebuje chladiče (obsahuje ventilátor a to z důvodu prodloužení životnosti elektrolytických kondenzátorů). Obrázek 13: MELP 31. - 10 -
Parametry MELP - 31 Vstupní napětí / proud Výstupní napětí / proud Tabulka 4: Základní parametry precizního regulátoru napětí pro LED panely - MELP - 31 12V / 20A 1,6 4,5 V / 70 A Účinnost >90% Odolnost vůči zkratu ANO Elektronická pojistka Měření teploty Ano (přesnost 1 C) - Teplota měničů je přímo úměrná velikosti svitu LED diod a teplotě okolí Regulace výstupního napětí ve 256 krocích Regulační zdroje MELP řady 3x jsou dálkově řiditelné a je možno je vyčítat či nastavovat nejen z lokální řídicí jednotky, ale i z dispečinku panelů. Umožňují tak na dálku zjistit stav LED panelů včetně odebíraného proudu, teplotu na nich a provádět jejich dálkovou konfiguraci. Jednou z možností je i režim hot-swap, kdy při výpadku základního napájení, lze systém napájet z akumulátorů. 7.2. Výpočet úspory spotřeby energie při použití MELP Precizní regulační zdroj MELP 3x umožňuje přesně regulovat napětí pro LED diody v panelu. Pokud budeme mít informační panel bez této regulace (8000 LED rozlišení panelu 50 160 bodů), tak vyzářený výkon je (výkonová ztráta 0,5W na diodě LED, spínačích a předřadných odporech, poměr multiplexu 1:10, napájení z +5V): Lze vypočítat vyzářený výkon (výkonovou ztrátu) z následujícího vzorce: Výkonová ztráta bez regulace: P = počet LED * výkonová ztráta na diodě / multiplex P = 8000 * 0,5/10 P = 400 W Pokud však použijeme námi navržené řešení s precizním regulátorem MELP 3x, pak není nutno použít tak velké srážecí odpory. Proud diodou LED pro stejnou svítivost (500 mcd) při multiplexu 1:4 odpovídá pouze 40 ma. Další rozdíl vzniká v tom, že se zvyšujícím se proudem LED diodou prudce narůstá napětí na diodě. Úbytek napětí při tomto svitu na diodě je 2,2V, tj. výkonová ztráta 0,090 W. Na předřadných odporech je pak ztráta 0,025W. Stejný panel má tak při stejné svítivosti příkon: Výkonová ztráta s využitím MELP-31 P = počet LED * výkonová ztráta na diodě / multiplex P = 8000 * 0,09/4 P = 180 W (což je úspora 55% energie) Z těchto výpočtů plyne, že vhodným uspořádáním časového multiplexu svitu diod a precizní napěťové regulace je možno ušetřit skoro polovinu energie oproti standardním řešením u konkurence. - 11 -
8. Závěr Cílem článku bylo ukázat, že když tvrdíme, že naše panely jsou nízkopříkonové a mají prodlouženou životnost, že toto tvrzení je založeno na pravdě. Tyto vlastnosti jsou navíc i podloženy výběrem vhodných LED diod, které samy o sobě zaručují dlouhou životnost. Tím, že nepřekračujeme mezní hodnoty, nedochází k degradaci vlastností a taktéž se prodlužuje doba života. - 12 -