Cercetari Privind Utilizarea Led In Sistemele de Iluminat

Cercetari privind utilizarea LED in sistemele de iluminat

CUPRINS

.

INTRODUCERE

Economia de energie electrică, siguranța instalațiilor aferente și rezolvarea unor probleme de poluare a mediului ambiant reprezintă obiective importante ale politicilor economice naționale și ale Uniunii Europene.

Din categoriile de consumatori de energie electrică, o pondere importantă o deține iluminatul cu toate componentele sale: iluminatul stradal – rutier, iluminatul stradal – pietonal, iluminatul arhitectural, iluminatul ornamental și iluminatul ornamental-festiv. Ca ponderi, pentru un oraș mediu, din consumul total pentru iluminatul public, 86% reprezintă iluminatul stradal, 11% semnalizări rutiere si 3% iluminat arhitectural si publicitate.

Dezvoltarea surselor artificiale de iluminat este sugestiv prezentată în figura I.1:

Fig.I.1. Istoric al dezvoltării surselor de iluminat

O direcție de cercetare și realizare de noi soluții tehnologice este reprezentată de obținerea a noi tipuri de lămpi cu caracteristici luminotehnice ridicate și consum redus de energie. Normativele adoptate de multe țări au eliminat practic din instalațiile de iluminat prezența becurilor cu incandescență, mari consumatoare de energie. S-au obținut soluții tehnice pentru lămpile fluorescente compacte, ce asigură o diminuare a consumurilor energetice și o păstrare a caracteristicilor luminotehnice.

Dezvoltarea LED-urilor destinate sistemelor de iluminat implică o dezvoltare accentuată a cercetărilor privind obținerea unor surse luminoase cu durabilitate mare, caracteristici luminotehnice corecte și cu avantajul consumului de energie foarte mic.

Cercetarea dezvoltată în această lucrare de doctorat urmărește studiul aprofundat al posibilităților de folosire a LED în echipamentele de iluminat și propune, în urma proiectării, un nou tip de bec LED. Dezvoltările experimentale asupra diferitelor soluții actuale din domeniul iluminatului artificial indică caracteristicile superioare ale soluțiilor de iluminat bazate pe tehnologia LED, inclusiv în păstrarea calității energiei electrice.

Lucrarea cuprinde prezentarea situației tehnice actuale în domeniul iluminatului, cu aplicație imediată în studiul soluțiilor actuale, prefigurarea tendințelor de viitor și proiectarea conceptuală și realizarea unei soluții de bec LED, cu două variante constructive.

Determinări experimentale dovedesc utilitatea introducerii în rețelele de iluminat actuale a tehnologiei LED și asigură suportul privind dezvoltarea conceptuală a cercetărilor.

Capitolul 1 cuprinde o analiză a situației actuale în domeniul surselor de iluminat. Necesitatea economisirii energiei electrice a condus la apariția a noi surse de lumină artificială ce tind să înlocuiască becul cu incandescență.

Capitolul 2 este dedicat analizei experimentale a calității energiei electrice în rețelele de joasă tensiune cu surse de iluminat de diferite tipuri. Rezultatele încercărilor asupra surselor fluorescente compacte și a celor cu LED indică o comportare mai bună în privința apariției armonicilor în curba curentului și a flickerelor la sursele cu LED

Capitolul 3 este adresat unei analize a caracteristicilor luminii și a iluminării obținute de la sursele artificiale. Se constată avantajele oferite de sursele LED în privința eficienței, temperaturii de culoare, fiabilității și durabilității precum și a caracteristicilor spectrale.

Capitolul 4 conține un studiu realizat asupra diferitelor fațete ale tehnologiilor specifice iluminării LED. Pornind de la principiul de funcționare al diodei LED sunt studiate mărimile electrice caracteristice și mărimile de influență, în special temperatura joncțiunii. Se prezintă tipurile de diode folosite în prezent, inclusiv cele HBLED. Analiza factorilor de influență asupra caracteristicilor conduce și la prezentarea unor soluții pentru eliminarea căldurii și menținerea joncțiunii semiconductoare la o temperatură optimă. Un studiu important este realizat asupra alimentării circuitelor cu LED, cu soluții electronice liniare și cu modulare PWM. Simulările realizate asupra unor circuite indică calitatea și eficiența alimentării șirurilor de diode LED. O analiză experimentală a driverelor cu modulare PWM este realizată pe baza unei platforme de test de la Texas Insrtruments.

Capitolul 5 prezintă elementele de proiectare ale unor becuri LED cu puteri de 5W, respectiv 10W. Sunt proiectate aceste variante constructive, inclusiv driverul și sunt realizate cele două becuri. Se face o analiză pe baze economice a unor soluții de proiectare cu un pachet software specializat.

În Capitolul 6 sunt prezentate determinările experimentale asupra caracteristicilor luminotehnice ale unor becuri LED și este indicată o comparație cu alte tipuri de surse fluorescente compacte. Rezultatele indică corecta alegere a soluției de testare.

Capitolul 7 cuprinde concluziile generale, prezentarea contribuțiilor personale și unele direcții de cercetare viitoare.

Sunt atașate trei anexe și bibliografia studiată.

CAPITOLUL 1

ANALIZA SITUAȚIEI ACTUALE ÎN DOMENIUL

SURSELOR DE ILUMINAT

Consumul de energie electrică pentru iluminat

În prezent, dezvoltarea societății se bazează pe creșterea accentuată a energiei folosite în toate ramurile economice, cu toate măsurile de reducere a consumurilor energetice [31]. Din totalul energiei obținute pe diverse căi, o treime este energie electrică. Din această cantitate de energie electrică produsă, consumul pentru iluminat este de aproximativ 19% din total [71]. În fig.1.1 se prezintă o situație a consumului de energie în diferite sectoare ale societății, observându-se ponderea acestuia în consumul global de energie electrică.

Fig.1.1. Consum de energie în diferite sectoare economice [49]

Repartizarea consumurilor în domeniul iluminatului are următoarea repartiție pe sectoare (2011):

– 44 % pentru iluminarea clădirilor comerciale și publice;

– 29 % pentru iluminatul industrial;

– 15 % pentru iluminatul rezidențial;

– 12 % pentru iluminatul străzilor, securitate, semnalizări rutiere.

Aceste cifre indică un consum de energie foarte mare pentru iluminat la scara societății umane și orice soluție ce poate micșora acest consum aduce beneficii importante.

Surse de lumină utilizate în iluminat

Tipuri de surse

În tehnica iluminatului se folosesc următoarele categorii de lămpi (fig.1.2) [46]:

Fig.1.2. Categorii de surse de lumină

Lămpile cu incandescență se bazează pe fenomenul de radiație termică. După mediul în care funcționează elementul radiant se deosebesc: lămpi cu vid și lămpi cu gaze inerte [69].

Lămpile cu descărcare electrică în gaze sau în vapori metalici folosesc fenomenul de luminescență. Cele mai utilizate lămpi din această categorie sunt cele cu vapori de mercur la joasă și la înaltă presiune și cele cu vapori de sodiu la joasă presiune și la înaltă presiune.

1.2.2. Becuri cu incandescență

Becul cu incandescență are o eficiență scăzută deoarece cea mai mare parte a energiei consumate de el se transformă în căldură și doar o mică parte (7…13)% se regăsește sub forma de radiație luminoasă, restul corespunde radiațiilor invizibile (68…86%) și pierderilor termice (7 – 22%) [6], [8].

Din cauza dimensiunilor reduse ale filamentelor luminanța lămpilor cu incandescență este foarte mare. Pentru reducerea luminanței se fabrică baloane mate, opale sau opalizate.

Durata de funcționare a lămpilor normale este mică față de necesitățile actuale, în jur de 1000 h. În tabelul 1.1 este prezentată variația caracteristicilor lămpilor incandescente după 1000 ore de funcționare, în procente din valorile inițiale [18].

Tabelul 1.1

Valoarea tensiunii de alimentare influențează puternic caracteristicile funcționale ale lămpii: durata de funcționare, eficacitatea luminoasă, fluxul luminos, puterea.

Avantajele aduse de acest tip de lampă: dimensiuni reduse, o foarte bună redare a culorilor, o mare varietate constructivă pentru diferite puteri nominale, apariția imediată a luminii după conectarea în circuit, costul redus, posibilitatea de reglare continuă a fluxului luminos (dimming) și liniaritatea caracteristicii de conversie (nu produce armonice în curba curentului electric) [15].

Principalele dezavantaje ale lămpii cu incandescență constau în: eficiența luminoasă redusă (1015) lm/W, durata mică a timpului de folosire, solicitările termice importante, creșterea puternică a valorii curentului electric în momentul conectării lămpii fapt ce determină o puternică solicitare a lămpii și a circuitului de alimentare precum și sensibilitatea ridicată la variații de tensiune în rețeaua de alimentare.

1.2.3. Lămpi cu descărcări în gaze

Becul cu incandescență a fost înlocuit, la un anumit moment al dezvoltării iluminatului artificial, cu becurile cu fluorescență (gaz nobil adus în stare de plasmă luminoasă, sub acțiunea unei tensiuni electrice) care, la puteri electrice consumate de valoare mai mică, oferă aceeași iluminare.

Dintre substanțele fluorescente folosite se pot enumera:

în construcția lămpilor fluorescente albe: wolframat de calciu și magneziu și halogenofosfat (fosfați de fluor, clor și brom);

în construcția lămpilor fluorescente colorate: silicatul de zinc (culoare verde), boratul de cadmiu (culoare roșie), silicatul de calciu (culoare galben — portocalie).

În construcția lămpilor electrice prezintă interes fenomenele de electroluminescență și fotoluminescență [12]:

– electroluminescența apare sub acțiunea purtătorilor de sarcină (electroni și ioni) care se deplasează într-un câmp electric. Ea este proprie descărcării electrice în gaze și în vapori metalici în care atomii gazului sau vaporilor metalici sunt excitați și ionizați de către ciocnirile cu purtătorii de sarcini;

– fotoluminescența apare prin absorbția fotonilor. Un interes deosebit îl prezintă fluorescența, ce permite persistența un timp lung după excitație. În construcția lămpilor electrice cu descărcări în gaze se remarcă folosirea fluorescenței unor substanțe solide, luminofori, în vederea creșterii eficacității luminoase și/sau a schimbării compoziției spectrale a radiației.

Lămpile fluorescente cu descărcări electrice în vapori de mercur de joasă presiune au o eficacitatea luminoasă relativ ridicată, putând atinge 50 – 70 lm/W. Peste 20% din energia absorbită este transformată în radiație vizibilă [44].

Fig.1.3. Bilanțul energetic al unei lămpi fluorescente de 40 W

Lămpile cu sodiu emit o radiație luminoasă foarte apropiată de sensibilitatea maximă a ochiului uman în condiții normale de vizibilitate, fapt pentru care au o ridicată sensibilitate luminoasă – fig.1.4.

Fig.1.4. Radiația la lampa cu vapori de sodiu

Utilizarea sodiului în corpurile de iluminat conduce la radiații în intervalul (589…589,6) nm, corespunzătoare culorii galbene și astfel, redarea tuturor culorilor nu este posibilă. Distribuția spectrală a pentru lămpile cu vapori de sodiu este comparată în fig.1.5 cu cea a altor surse de lumină, inclusiv cu lumina naturală [35].

1.2.4. Becuri LED

Becurile LED  folosesc în locul filamentelor și a gazelor rare, diode emițătoare de lumină. Iluminarea artificială cu LED-uri își are începuturile din anii 1960, când LED-urile au fost introduse, progresiv, ca indicatoare la aparatele electronice [18].

LED-ul cu lumina albă, folosit în becurile LED actuale a fost descoperit în anul 1993. Practic, a fost inventat LED-ul albastru, a cărui lumină combinată cu LED-uri verzi și roșii produce lumina albă folosind tehnici precum conversia lungimii de undă sau prin combinarea culorilor.

Principalul avantaj al becului LED este consumul său scăzut, de 10-15 ori mai mic decât cel al unui bec obișnuit; un bec LED consumă 6-8 W pentru a produce lumina de aceeași intensitate ca un bec tradițional de 60 W.

Aceste becurile LED actuale produc o lumină mult mai puternică și mai apropiată de conceptul de lumină albă ideală decât cele tradiționale [44].

Fig.1.5. Distribuția spectrală

Eficiența sporită și veporită și versatilitatea asigurată de către LED, conduce la performanțe superioare precum:

Reduceri importante în consumul de energie electrică;

Reduceri substanțiale în ceea ce privește poluarea mediului ambiant;

Îmbunătățire substanțială a experienței vizuale generale.

În graficele din fig. 1.6 se face o comparație între diferitele surse de iluminat, evidențiindu-se avantajele folosirii becurilor cu LED.

Fig.1.6. Comparație caracteristici surse de lumină

CAPITOLUL 2

ANALIZA EXPERIMENTALĂ A CALITĂȚII ENERGIEI

LA SURSELE DE ILUMINAT

2.1.Echipamente folosite pentru experimentări

Analizorul HIOKI 3196 – fig.2.1 – monitorizează și înregistrează calitatea energiei electrice și indică următorii parametrii: factorul de putere, goluri de tensiune, vârfuri de tensiune, flikere, fenomene tranzitorii, armonici, fenomene tranzitorii de înaltă frecvență, detectarea și afișarea formei de undă [43].

Fig.2.1. Analizor HIOKI

Aparatul face parte din clasa A (EN 61000-31) având următoarele caracteristici metrologice:

Valoarea efectivă a tensiunii: calculată continuu la fiecare 10 perioade;

Exactitate: Curent alternativ: ±0,2% rdg. ±0,1% f.s.

Curent continuu: ±0,3% rdg. ±0,4% f.s.

Valoarea efectivă a curentului: calculată continuu la fiecare 10 perioade;

Exactitate: Curent alternativ: ±0,2% rdg. ±0,1% f.s.+ eroarea cleștilor de intrare

Supratensiuni tranzitorii:

Domeniul de măsurare: 2000 V;

Afișare: 4 ms (2 ms înainte și 2 ms după centrul vârfului);

Durata minimă de detecție: 0,5 μs;

Exactitate: ±5,0% rdg. ±20 V (1000 V c.c. și 700 V valoare efectivă/100 Hz)

Vârfuri de tensiune:

Afișează amplitudinea și durata vârfului de tensiune;

Exactitate: Curent alternativ: ±0,2% rdg. ±0,1% f.s.

Curent continuu: ±0,3% rdg. ±0,4% f.s.

Goluri de tensiune:

Afișează amplitudinea și durata golului de tensiune;

Exactitate: Curent alternativ: ±0,2% rdg. ±0,1% f.s.

Curent continuu: ±0,3% rdg. ±0,4% f.s.

Întreruperi instantanee ale tensiunii.

Frecvența:

Domeniul de măsurare: 42,500 ÷ 69,000 Hz

Exactitate: ±10 mHz

Puterea activă:

Exactitate: ±0,2% rdg. ±0,1% f.s. + eroarea cleștilor

Puterea reactiva:

Exactitate: ±1 dgt. de la calculul fiecărei valori măsurate

Factorul de putere:

Domeniul de măsurare: –1,000 … +1,000

Exactitate: ±1 dgt. de la calculul fiecărei valori măsurate

Factor de deplasare:

Domeniul de măsurare: –1,000 … +1,000

Exactitate: ±0,5 rdg. ±0.2% f.s. ±1 dgt.

Coeficientul de nesimetrie a tensiunii și al curentului.

Flicker (Pst – flicker de scurtă durată, Plt – flicker de lungă durată)

Exactitate: ±5 rdg. sau mai puțin din valoarea limită

Armonici:

Fereastra de analiză: dreptunghiulară

Ordinul armonicilor: 1… 50

Exactitate:

Tensiune/Curent: ordinul 1… 20: ±0,5% rdg. ±0,2% f.s.

ordinul 21…50: ±1,0% rdg. ±0,3% f.s.

Putere: ordinul 1… 20: ±0,5% rdg. ±0,2% f.s.

ordinul 21…30: ±1,0% rdg. ±0,3% f.s.

ordinul 31…40: ±2,0% rdg. ±0,3% f.s.

ordinul 41…50: ±3,0% rdg. ±0,3% f.s.

Interarmonici ale tensiunii și curentului

Fereastra de analiză: dreptunghiulară

Ordinul interarmonicilor: 0,5… 49,5

Defazajul armonicilor tensiunii și curentului:

Exactitate: ordinul 1… 3: ±2º

ordinul 4… 50: ±(0,02º k+2º), unde k = ordinul armonicii

2.2. Sursa compactă fluorescentă

Determinările s-au realizat asupra unui bec compact fluorescent cu puterea nominală indicată de fabricant de 12 W.

Montajul folosit este indicat în fig.2.2. S-a analizat funcționarea în condiții nominale pentru tensiunea aplicată Un = 230V. S-au vizualizat și înregistrat tensiunea, intensitatea curentului, armonicile, puterile activă și cea reactivă și factorul de putere.

S-au generat regimuri anormale de funcționare, ca de exemplu: subtensiune și apariția flikerelor datorită unor variații rapide ale tensiunii rețelei.

Fig.2.2. Montaj experimental

Rezultatele sunt prezentate în continuare. Se observă o formă de undă apropiată de cea sinusoidală pentru tensiunea electrică de alimentare. In schimb, intensitatea curentului este o undă puternic deformată, ceea ce va contribui la apariția armonicilor în unda acestui semnal.

Valorile pentru mărimile electrice măsurate sunt prezentate în fig.2.3. Se observă că frecvența tensiunii aplicate este f = 50,014 Hz, încadrându-se în prevederile standardului EN 50160. La tensiunea nominală aplicată, puterea activă absorbită este de 10,4 W față de cea indicată de fabricant Pn = 12W. Se observă apariția unei puteri reactive importante Q = 13,4 VAr ceea ce conduce la o valoare scăzută a factorului de putere – fig.2.4.

Schema electrică de montaj b) Formele de undă pentru tensiune și curent

Fig.2.3. Schema electrică și forme de undă

Fig.2.4. Afișarea puterilor

Distorsionarea formelor de undă este indicată prin factorul total de distorsiune armonică:

( 2.1)

unde:

– valoarea efectivă a armonicii de tensiune de ordinul k;

– valoare procentuală a armonicii de tensiune de ordinul k.

( 2.2)

unde:

– valoarea efectivă a armonicii de curent de ordinul k;

– valoare procentuală a armonicii de curent k.

In fig.2.5 sunt afișate valorile determinate de analizor pentru formele de undă din fig.2.3.

Pentru tensiune THDU = 1,89%, valoare admisibilă conform EN 50160. Este predominată armonica a cincea, cu valoarea individuală a factorului de distorsiune 1,45% – fig.2.6. Mai sunt prezente armonicile de ordin 3, 7 și 11, cu valori sub 1%.

Pentru intensitatea curentului factorul de distorsiune totală are valoarea THDI = 110,88%, indicând apariția unor armonici extrem de importante. In fig.2.7 sunt prezentate valorile acestor armonici.

Armonicile 3 și 5 din curba curentului sunt foarte mari, de 82% și de 54%; urmează armonicile 7, 9, 11, 13 cu valori de peste 15%; până la ordinul 21 armonicile sunt în jur de 10% iar cele până la ordinul 49 sunt în jur de 5% – fig.2.7.

Fig.2.5. Factorii totali de distorsiune armonică

Fig.2.6. Afișare armonici

Fig.2.7. Listare armonici

S-au produs evenimente ale tensiunii de alimentare cu ajutorul unui autotransformator și au fost înregistrate cu ajutorul analizorului – fig.2.8. După cum se observă, tensiunea este sinusoidală iar curentul este deformat.

Variațiile de tensiune produse au condus la apariția flicker-elor. Analizorul a înregistrat aceste evenimente și ele sunt poziționate pe curba ITIC din fig.2.8.

După ce s-au generat flickere în mod intenționat prin modificarea tensiunii de alimentare a becului, s-au făcut determinări în funcționare în rețeaua de joasă tensiune.

Fig.2.8. Generare flicker, forme de undă

Rezultatele înregistrărilor sunt indicate în fig.2.9. Se observă faptul că variațiile de tensiune sunt mici și nu conduc la apariția flicker-ului.

Fig.2.9. Urmărire flicker în funcționare în rețea

Ultimele testări se referă la funcționarea becului compact fluorescent în situațiile în care tensiunea de alimentare scade peste limitele admise – fig. 2.10.

Fig.2.10. Determinări la tensiuni de alimentare diferite de valoarea nominală

In urma scăderii tensiunii de alimentare becul rămâne aprins până la o tensiune de aproximativ 70 V, dar cu o luminozitate tot mai scăzută. Se observă faptul că simultan cu scăderea tensiunii de alimentare scad curentul și puterea absorbite iar variațiile au caracter neliniar – fig.2.11 .

Fig.2.11. Variația curentului și a puterii funcție de tensiunea aplicată becului.

2.3. Bec cu LED

Montajul experimental folosit este prezentat în fig. 2.12. S-a testat un bec LED de tipul MASTER LED spot 16W.

Fig. 2.12. Montaj experimental pentru analiza funcționării bec LED

În fig. 2.13. se prezintă schema de montaj a analizorului în circuitul monofazat de alimentare a becului LED.

Fig.2.13.Schema de montaj a analizorului

Mărimile electrice din rețea au fost obținute cu ajutorul analizorului Hioki. În fig.2.14 se prezintă formele de undă pentru tensiunea electrică de alimentare a becului și pentru intensitatea curentului absorbit de bec.

Fig.2.14. Formele de undă pentru tensiune și curent

Se observă faptul că tensiunea este practic sinusoidală, în schimb curentul absorbit de bec este puternic distorsionat.

Valorile măsurate ale mărimilor electrice specifice sunt prezentate în fig. 2.15. Puterea activă absorbită este P = 10,4 W. Puterea reactivă este 13,4 VAr ceea ce conduce la un factor de putere de 0,61.

Fig.2.15. Afișarea mărimilor electrice specifice becului LED

Distorsionarea formelor de undă se observă din valorile indicate de analizor:

THDU = 2,29% și THDI = 40,46% – fig. 2.16.

Fig.2.16.Afisarea factorilor de distorsiune

În fig.2.17 se prezintă valorile procentuale ale armonicilor din curba curentului și din cea a tensiunii electrice de alimentare a becului LED.

a) Intensitate curent b) Tensiunea de alimentare

Fig.2.17. Lista armonici

Pentru tensiunea de alimentare este predominată armonica a cincea, cu valoarea individuală a factorului de distorsiune 2,05% – fig.2.17b. Mai sunt prezente armonicile de ordin 3, 7 și 11, cu valori sub 1%, restul sunt foarte mici.

Pentru intensitatea curentului se observă apariția unor armonici extrem de importante. In fig.2.17a sunt prezentate valorile acestor armonici. Armonicile 3 și 5 din curba curentului sunt foarte mari, de 35,38% și de 20,7%; urmează armonica 7 cu valoare peste 10%. Celelalte armonici sunt mai mici: 9, 11 cu valori de peste 5%; până la ordinul 21 armonicile sunt între 5% și 1% .

Generarea artificială a unor flickere și înregistrarea acestora cu ajutorul analizorului Hioki a condus la rezultatele prezentate în fig. 2.18.

S-au realizat și măsurători în rețeaua electrică în care este conectat becul LED pentru punerea în evidență a flicker-elor – fig. 2.19 – dar nu s-au observat astfel de evenimente.

Fig.2.18. Rezultate generare flicker

Fig.2.19. Măsurători în rețea.

Ultimele testări se referă la funcționarea becului LED în situațiile în care tensiunea de alimentare scade peste limitele admise – fig. 2.20. S-a studiat un bec LED cu puterea nominală de 6W.

Fig.2.20. Variația tensiunii de alimentare a becului LED

In urma scăderii tensiunii de alimentare becul LED rămâne aprins până la o tensiune de aproximativ 85 V. Se observă faptul că simultan cu scăderea tensiunii de alimentare creste curentul absorbit iar puterea absorbită este practic constantă – fig.2.21. Comportarea este mult diferită față de becul economic fluorescent, puterea și implicit iluminarea fiind constante la scăderea tensiunii de alimentare. Acest fapt este datorat convertorului de alimentare cu un curent constant din schema electrică a becului LED.

Fig.2.21. Variația mărimilor electrice specifice becului LED

la variația tensiunii de alimentare

CAPITOLUL 3

CARACTERISTICILE LUMINII ȘI ALE SURSELOR DE LUMINĂ

Radiațiile electromagnetice sunt clasificate în funcție de frecvența υ /lungimea lor de undă λ. În fig. 3.1 se indică zonele spectrale și energiile corespunzătoare:

W= hυ = hc/λ (3.1)

unde:

h = 6,626196 . 10 -34 [J . s] este constanta lui Planck,

c = υ λ = 3 .10 8 [m/s] – viteza luminii în vid (în alte medii, c→cMF = c/n),

υ – frecvența [Hz],

n ≥ 1 – indicele de refracție pentru un mediul fizic.

Valorile corespunzătoare pentru domeniul vizibil sunt cele din Tabelul 3.1 [30].

Tabel.3.1. Spectrul vizibil

Lungimile de undă în spectrul vizibil, care definesc lumina, sunt interpretate de ochiul uman prin culori diferite – obținute de Isaac Newton în 1672 cu ajutorul unei prisme optice. În practică se operează cu conceptul de lumină monocromatică (dacă este prezentă o singură lungime de undă) și cu conceptul de lumină albă (dacă sunt prezente toate lungimile de undă din spectrul vizibil).

Mărimile radiometrice și fotometrice care permit evaluarea cantitativă în spectrul vizibil sunt prezentate în tabelele următoare.

Fig.3.1. Spectrul Optic Extins (SOE) și Spectrul Optic Restrâns (SOR) [30]

Tabelul 3.2

Tabelul 3.3

De reținut (Anexa 1):

→ „flux luminos” (Φ) reprezintă cantitatea derivată din fluxul radiant (putere radiantă) în urma evaluării radiației în conformitate cu sensibilitatea spectrală a ochiului uman;

→ „intensitate luminoasă (candela sau cd)” înseamnă raportul dintre fluxul luminos la părăsirea sursei și propagat în elementul de unghi solid care conține direcția dată de către elementul de unghi solid.

Cromaticitatea este o specificație obiectivă a culorii luminii, indiferent de fluxul luminos. De reținut definițiile:

→ „cromaticitatea” reprezintă proprietatea unui stimul de culoare definit prin coordonatele sale de cromaticitate sau prin lungimea sa de undă dominantă sau complementară și puritate, luate împreună;

→ „temperatura de culoare corelată” (Tc [K]) reprezintă temperatura corpului negru radiant, a cărui culoare percepută se apropie cel mai mult, în condiții de observare precizate, de cea a unui stimul având aceeași strălucire;

→ „redarea culorii” (Ra) reprezintă efectul unei surse de lumină asupra aspectului cromatic al obiectelor, comparat în mod conștient sau nu, cu aspectul lor cromatic în prezența unei surse de lumină de referință;

→ „coerența culorii” înseamnă abaterea maximă a coordonatelor de cromaticitate (x și y) ale unei singure lămpi față de un punct central de cromaticitate (cx și cy), exprimată ca dimensiunea (în trepte) elipsei MacAdam formată în jurul punctului central de cromaticitate (cx și cy);

Plecând de la modul în care se realizează percepția de culoare, cu ajutorul celor 3 seteri de conuri fotoreceptoare (care răspund la lungimi de undă diferite din spectrul vizibil), Maxwell a încercat să obțină anumite culori prin mixarea a trei culori primare din spectrul vizibil poziționate în cele trei vârfuri ale unui triunghi echilateral – numit și triunghi de culoare: roșu/roșu-oranj sau Red/Red-Orange, verde sau Green și albastru/albastru-violet sau Blue/Blue-Violet – fig.3.2.

Fig.3.2. Triunghi de culoare (Maxwell)

Un mod sugestiv de reprezentare a culorilor se realizează cu diagrama de cromaticitate (valabilă pentru un observator standard) adoptată în anul 1931 (modificată în anul 1967, adaptată și publicată în anul 1983 – The Physics and Chemistry of Color – Wiley, New York) de Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) – diagramă înscrisă într-un triunghi dreptunghic isoscel, în vârfurile căruia se află culorile primare ideale/virtuale:

Ideal-R, Ideal-G și Ideal-B),

care ilustrează repartiția culorilor primare reale (inclusiv a culorilor de tip complementar pure) pe linia curbă continuă, evidențiind lungimile de undă în nm (fig.3.3).

O anumită culoare este reprezentată prin valori situate pe ambele axe (x – axa orizontală pe care se află cantitatea de roșu-ideal ce poate fi mixată cu albastru și y – axa verticală pe care se află cantitatea de verde-ideal ce poate fi mixată cu albastru).

Graficul din această diagramă este o proiecție bidimensională a culorii sistemului RGB pentru domeniul vizibil. Coordonatele x, y ale sistemului creat sunt utilizate ca referință pentru măsurarea luminii. De exemplu, lumina albă este specificată ca având coordonatele (0,3, 0,3) în sistemul de coordonate 1931 CIE [21].

În tabelul 3.4 este indicată clasificarea surselor tehnice de lumină în funcție de culoare, conform CIE (Comisiei Internaționale de Iluminat). Culoarea unei surse de lumină se caracterizează prin temperatura sa de culoare, definită ca fiind temperatura (în K) a corpului negru, a cărui radiație are aceeași culoare cu cea a sursei de lumină analizate.

Fig.3.3. Diagrama de cromaticitate (pentru un observator standard) adoptată în anul 1931

Lumina zilei rezultă din radiația termică a soarelui, în urma filtrării prin atmosfera pământului. Radiația termică a soarelui are un spectru continuu, cu lungimi de undă cuprinse între circa 300 și 4500 nm, și o temperatură medie de culoare de 5000 K (pentru Europa).

Tabelul 3.4 Culoarea unei surse de lumină

Redarea culorilor este un criteriu important de evaluare a calității luminii, indicând cât de „corectă” i se pare unui observator, culoarea corpurilor iluminate artificial. Culoarea corpurilor este considerată „corectă” atunci când acestea sunt privite la lumina naturală.

Esențial pentru calitatea redării culorilor într-o instalație de iluminat este spectrul radiației sursei de lumină.

Sursele de lumină folosite în practică se împart în trei categorii [30]:

– surse naturale cu lumină necoerentă – fig. 3.4 (de exemplu: soarele, luna, stelele și planetele, aurorele boreale, lumina zodiacală, atmosfera din vecinătatea pământului);

– surse artificiale cu lumină necoerentă (de exemplu: lămpi cu incandescență, lămpi fluorescente, lămpi cu arc electric în gaze, lămpi de tip LED);

Fig.3.4. Semnal necoerent obținut prin însumarea Fig.3.5. Semnal coerent obținut prin însumarea a trei semnale optice cu faze diferite. a trei semnale optice cu faze identice.

– surse artificiale cu lumină coerentă sau cu radiație stimulată în diferite cavități optice – fig.3.5 (de exemplu: sursele de tip LASER cu gaze și cu solide).

Din punct de vedere radiometric, sursele de lumină se clasifică în:

– surse de tip Lambertian, la care există o suprafață radiativă plată cu radianța Lr constantă în toate direcțiile de emisie Lr = Mr/π [Wm-2sr-1];

– surse de tip izotropic la care o suprafață sferică radiază cu aceiași intensitate Ir în toate direcțiile de emisie.

Sursele artificiale de lumină se pot caracteriza cantitativ prin intermediul unor mărimi radiometrice și fotometrice, care se măsoară în anumite situații și condiții de lucru.

► Lămpi cu incandescență (becuri electrice uzuale cu filament de tungsten, umplute cu o mixtură de argon și azot, felinare cu gaz lampant sau cu alcool, candele cu ulei și lumânări cu ceară sau cu parafină cu fitile de flacără incorporate) utilizate ca surse artificiale de lumină necoerentă pentru iluminare ambientală în zona spectrală de vizibil– cu caracteristici spectrale de emisie prezentate în fig.3.6 comparativ cu caracteristica spectrală de emisie a Soarelui.

Fig.3.6. Caracteristici spectrale de emisie

În Tabelul 3.5 se prezintă valorile unor mărimi fotometrice pentru 3 tipuri de becuri uzuale cu filament de tungsten.

Tabelul 3.5

In cazul becurilor cu filament, aproximativ 95% din puterea electrică consumată se pierde sub forma de căldură – fig.3.7.

Fig.3.7. Distribuția energiei de intrare la becul cu incandescență [50]

– Lămpi fluorescente (cu vapori de Mercur, de Sodiu, de Cesiu și de Rubidiu), utilizate ca surse artificiale de lumină necoerentă pentru iluminare ambientală, cu diferite mărimi fotometrice – Tabelul 3.6 – și caracteristici de radiație în spectrul UV, vizibil și IR, care operează pe alte principii lucru (bazate pe descărcări electrice în gaze – fig. 3.8) decât lămpile cu incandescență.

Fig.3.8. Caracteristica spectrală de emisie pentru

o lampă fluorescentă cu lumină în zona spectrală de vizibil

Tabelul 3.6

– Lămpi cu arc electric în gaze (Xenon, Kripton, Azot, Argon) utilizate ca surse artificiale de lumină necoerentă (de exemplu: lămpi de tip flash-uri cu Xenon și/sau cu Kripton ); lămpi cu arc electric în azot sau cu scânteie în aer – utilizate pentru radare optice și pentru monitorizarea turbulențelor de aer.

Fig.3.9. Caracteristica spectrală de emisie pentru o lampă cu arc electric în Xenon

– Lămpi de tip LED-uri – Light Emitting Diodes, utilizate ca surse artificiale de lumină necoerentă, cu diferite caracteristici de radiație în spectrul vizibil – fig. 3.10);

Fig.3.10. Caracteristica spectrală de emisie pentru diferite LED

După cum s-a arătat, majoritatea LED-urilor sunt fabricate dintr-o varietate de semiconductori anorganici ce produc următoarele culori [55]:

Cu o tehnologie relativ nouă și în curs de dezvoltare, LED-urile au devenit deja o soluție valabilă în multe aplicații de iluminat.

Un avantaj major adus de LED-uri la aplicații în domeniul iluminatului îl constituie eficiența lor ridicată. Tehnologia actuală de realizare a LED-uri de mare luminozitate a condus la producerea unor componente cu o eficiență luminoasă de până la 60 lm /W și cu tendințe clare de atingere a valorilor de 100 lm/W [54].

Un alt avantaj al LED-urile față de alte surse de lumină este durata de viață extinsă, de ordinul a 50.000 de ore, dacă sistemele sunt proiectate corect. Din moment ce, în aplicații cum ar fi înlocuirea becurilor de iluminat stradal, efortul material și cel al forței de muncă sunt elemente ce trebuie luate în considerare, soluțiile LED pot fi văzute ca având un avantaj hotărâtor în această zonă de iluminat.

CAPITOLUL 4

TEHNOLOGII LED ÎN ILUMINAT

4.1. Principiul de funcționare al unui LED

Un LED este o diodă semiconductoare care funcționează pe principiul emisiei permanente de lumină conform următorul proces dinamic: electronii mobili din semiconductorul de tip n, atrași de terminalul pozitiv al tensiunii de alimentare, intră în regiunea activă. Simultan, golurile mobile din semiconductorul p, atrase de terminalul negativ al tensiunii de alimentare, intră în aceeași regiune activă. Recombinarea electron-gol din interiorul regiunii active produce fotoni, deci radiație în zona vizibilă iar sarcinile electrice se refac din sursa de alimentare – fig. 4.1.a. În fig.4.1.b este prezentat simbolul LED-ului.

b)

Fig.4.1. Principiul LED-ului

Se folosesc diferite materiale semiconductoare pentru fiecare regiune a LED-ului. Semiconductorul de tip n este format prin adăugarea la materiale din grupa III a tabelului Mendeleev, precum galiu, aluminiu sau indiu a unui dopant din grupa IV, precum siliciul, fapt ce conduce la apariția electronilor liberi în structura cristalină. Semiconductorul de tip p are ca dopant elemente din grupa II, precum zincul sau magneziul, obținându-se goluri libere. La aplicarea unei tensiuni în sens direct, are loc deplasarea sarcinilor în regiunea activă, unde are loc recombinarea și emisia fotonilor.

Substratul pentru LED cu lumină emisă de culoare roșu, orange și galben este gallium arsenide. Pentru obținerea culorilor alb și verde substratul este gallium nitride, semiconductorul de tip n fiind dopat cu siliciu iar cel de tip p cu magneziu. – Tabelul 4.1.

Tabelul 4.1.

Structura ideală este cea bazată pe substrat galliu nitrid, însă tehnologic este foarte dificil a se realiza cristale mari cu structură perfectă. De exemplu, pentru realizarea LED albastru se folosește safirul ca substrat.

Diferența LED față de diodele obișnuite este faptul că recombinarea conduce la eliberarea de lumină, față de diodele semiconductoare obișnuite, la care această recombinare eliberează energie sub forma de căldură, într-un alt domeniu al spectrului.

In realitate, în orice diodă au loc ambele tipuri de recombinări; când majoritatea recombinărilor sunt radiative, dioda este tip LED. Recombinările neradiative consumă din electronii excitați necesari recombinării radiative, ceea ce scade eficiența procesului. Acest fapt este caracterizat prin eficiența cuantică internă ηint, parametru care indică partea din numărul total de electroni excitați N ce produc fotoni. Numărul de electroni N ce trec în unitatea de timp, înmulțit cu sarcina unui electron e, reprezintă intensitatea curentului electric prin LED:

(4.1)

Puterea luminoasă obținută se determină pe baza numărului de electroni ce produc fotonii și a energiei acestora Ep, rezultând expresia:

(4.2)

Se obține caracteristica de conversie a LED-ului, o relație de dependență liniară între intensitatea curentului electric prin LED și puterea luminoasă obținută, pe un interval destul de larg de variație a curentului. O dependență determinată experimental la o diodă LED este prezentată în fig.4.2.

Fig.4.2. Dependența flux luminos-curent (OSRAM)

Caracteristica curent-tensiune în sens direct poate fi descrisă prin relația:

(4.3)

În condițiile: e.UF ≥ 4 k.T , UF >> IF.RS, relația se simplifică:

(4.4)

Forma caracteristicii depinde de geometria construcției, de caracteristicile de material, de tehnologia de fabricație etc., cuprinse toate în constanta adimensională n. În fig.4.3 se prezintă caracteristicile pentru mai multe tipuri de diode LED.

Fig.4.3. Caracteristica I-U pentru LED

Se poate defini rezistența serie statică într-un punct de funcționare (UF0, IF0):

(4.5)

și rezistența serie dinamică:

(4.6)

Valori tipice: Rs = (10…100) Ω și Rd ≤ 1Ω

Un alt parametru important este reprezentat de tensiunea de deschidere UF, care se obține prin extrapolarea părții liniare a caracteristicii I-U – fig.4.3. Valoarea tensiunii de deschidere depinde de materialele folosite în construcția diodei – Tabelul 4.1, fiind cuprinsă între 1,4V și 4V.

Relația între tensiunea de deschidere și lungimea de undă a radiației este dată de expresia constantei lui Planck:

(4.7)

4.2. LED-uri pentru sisteme de iluminat

4.2.1. Tipuri de LED

Primul LED cu capacitate mare de iluminare a fost realizat de Shuji Nakamura în anul 1993 dintr-un aliaj de InGaN. La începutul anilor 1990 au apărut LED-urile realizate pentru iluminare fabricate de producători ca Nichia, Osram Opto-Semiconductor și Lumileds. Noile LED-uri cu capacitate mare de iluminare (HBLEDs), au fost încapsulate ca și dispozitivele semiconductoare de putere, folosind tehnologia SMT și pad-uri termice.

Există câteva tipuri importante de LED-uri :

→ LED-uri tradiționale anorganice: acest tip de LED este forma tradițională de diodă fabricată din materiale anorganice. Unele dintre cele mai utilizate pe scară largă sunt realizate pe baza materialelor semiconductori prezentate anterior, precum aluminiu gallium arsenide, fosfura de Gallium arsenide etc. Aceste LED-uri sunt folosite pentru realizarea umor mici dispozitive folosite ca indicatoare de panou. Varietatea constructivă este mare:

– O singură culoare 3 mm, 5mm, 8 mm și 10 mm. Ele mai pot fi împărțite în "normale" (din plastic colorat și luminozitate <1000 mcd ) și "super luminoase" ( din plastic de claritatea apei, luminozitate de la 1000 mcd la 20.000 mcd și unghi de vedere <60 de grade) –fig.4.4;

– LED-uri SuperFlux: un tip nou de LED-uri super luminoase (între 1000 și 50.000mcd); LED-urile Luxeon produse de Lumileds au o luminozitate între 100.000 mcd și 800.000 mcd și unghi de vedere de peste 100 de grade.

Fig.4.4. Structura unui LED

– LED-uri cu montare pe suprafață;

– LED-uri bicolor și multicolor – dispozitive ce conțin mai multe LED-uri individuale, care sunt activate la diferite tensiuni etc.

→LED-uri organice. Acest tip de LED folosește materiale organice care sunt fabricate în foi și oferă o zonă difuză de lumină. De obicei, un film foarte subțire de material organic este imprimat pe un substrat din sticlă.

→ LED-uri de înaltă luminozitate (HBLED) – fig.4.5, sunt un tip de LED anorganic, care au început să fie utilizate pentru aplicații de iluminare. Acest tip de LED-uri este în esență același ca LED anorganice, dar are o putere luminoasă mult mai mare. Având în vedere eficiența lor mai mare, acest tip de LED este un înlocuitor pentru becuri incandescente și becurile fluorescente compacte. LED-urile de putere au capsule de 1-3 W de diferite forme și mărimi. Sunt alimentate de curenți mai mari, de 350, 700 sau 1000 mA și cu tehnologia actuală pot produce 40-80 lm/W.

Fig.4.5. Structura unui LED superluminos

Există o varietate mare de configurații în care se pot obține dispozitivele LED:

● O singură culoare. Este dispozitivul standard ce conține un anod și un catod și iluminează cu un flux luminos proporțional cu intensitatea curentului ;

● LED bicolor. Utilizează o pereche de LED-uri montate în paralel în sens invers de conducție. Se aprinde LED-ul care este polarizat direct de tensiunea aplicată;

● LED cu trei culori. Se folosesc două LED-uri de culori diferite ce au două circuite anod și un singur catod. Este posibil a se acționa separat fiecare LED, obținând cele două culori sau se aprind simultan ambele diode rezultând a treia culoare din compunerea celor două culori. Se pot varia și culorile prin variația intensităților de curent ce parcurg diodele.

Se realizează varianta constructivă SMT (surface mount) din ce în ce mai mult pentru soluții de iluminat. Dimensiunile cele mai uzuale sunt prezentate în tabelul de mai jos.

Tabelul 4.2

O caracteristică importantă a unei surse de iluminat o reprezintă durata de viață a acesteia. In cazul LED-urilor, durata de viață poate fi considerată durata medie dinainte de defect, dar recent este considerată ca fiind 50% din nivelul de depreciere a iluminării. Indiferent de cum se măsoară, duratele de viață pentru LED-uri sunt lungi, ceea ce reprezintă un factor important în ceea ce privește utilizarea în cadrul aplicațiilor de semnalizare (semafoare, afișaje, automatizări), care au costuri mari pentru manopera de înlocuire și consecințe majore în ceea ce privește siguranța în cazul în care cedează.

Pentru utilizarea dominantă a luminii albe, în cazul iluminatului industrial și de birou, o durată de viață de 20.000 de ore poate fi considerată foarte lungă, mai mult decât suficientă pentru marea majoritatea aplicațiilor.

4.2.2. Specificații privind calitatea luminii

Pentru a compara sistemele de iluminat cu LED-uri se folosesc următorii patru termeni:

Temperatura de culoare corelată (CCT);

Distribuția spectrală a puterii (SPD);

Indicele de reproducere a culorii (CRI);

Eficiența, măsurată în lumeni pe watt (LPW).

Acești termeni sunt standardizați și apar în specificațiile tehnice ale producătorilor de LED-uri pentru a facilita evaluarea numărului mare de dispozitive disponibile.

► Specificațiile ce definesc calitatea luminii sunt:

→ Temperatura de culoare – Termen folosit pentru a descrie efectul de încălzire a unui obiect până când devine incandescent; radiațiile emise și culoarea aparentă se modifică proporțional cu temperatura;

→ Temperatura de culoare corelată (CCT) – Temperatura absolută a unui corp negru a cărui cromatică seamănă mai bine cu cea a sursei de lumină. Este specificată în Kelvin (K).  O temperatură de culoare corelată de 2000 K este culoarea roșie. Cu cât este mai mică temperatura Kelvin, lumina se simte sau apare mai caldă. Temperatura culorii unui bec cu incandescență standard este de 2700K.

Vara, la amiază, soarele emite o lumină plăcută albă cu CCT de 5600 K. Aceasta este considerată temperatura culorii perfecte. Becurile compacte fluorescente emit o temperatură de culoare de 6500 K, producând o distribuție deviată a culorii, spre emisii (nenaturale) de albastru-verde.

Intervalele de temperatură de culoare corelată:

Cald: 2700K-3700K

Neutru: 3700K – 5000K

Rece: 5000K – 10000K

O corespondență între temperatura de culoare corelată și valorile indicate de Diagrama CIE 1931 este prezentată în fig.4.6.

→ Distribuția spectrală a puterii (SPD) reprezintă uniformitatea tuturor culorilor cu lungimi de undă necesare producerii luminii albe.

Un grafic al distribuției spectrale a puterii arată exact echilibrul culorilor unei surse de lumină reprezentând fiecare culoare și nivelul puterii corespunzătoare acelei lungimi de undă. O reprezentare grafică a distribuției spectrale a puterii ce nu prezintă variații mari este echivalentă luminii soarelui, iar o reprezentare grafică având variații puternice reprezintă o lumină neconfortabilă și un mediu neproductiv de lucru. Deoarece curbele SPD necesită măsurători complexe, ele nu sunt o metodă convenabilă de comparare a calității luminii mai multor corpuri de iluminat.

Fig.4.6. Distribuție spectrală

→ Indicele de reproducere a culorii (CRI) este reprezentat pe o scară de la 0 la 100, 100 fiind perfect, 90 fiind excelent, 80 fiind considerat acceptabil în anumite condiții, iar 70 sau mai puțin fiind inacceptabil.

Un indice de reproducere a culorii de 50 sau mai mic (lumina galbenă-portocalie, emisă de lămpi cu vapori de sodiu pentru iluminat stradal) nu poate reproduce culoarea și reprezintă un mediu de lucru dificil.

Măsurători ale indicelui de reproducere a culorii nu sunt necesare pentru lumina solară (100 CRI) și pentru becul cu incandescență (95-100 CRI) deoarece ambele produc o lumină ce are un spectru continuu cu distribuții echilibrate ale culorilor.

Becurile fluorescente, datorită luminii emise ce are un spectru discontinuu, înregistrează valori ale CRI între 50 și 80.

► Eficiența (lm/W) – reprezintă eficacitatea totală a unui corp de iluminat de a produce lumină. Eficiența este raportul dintre intensitatea luminoasă (flux) și puterea consumată de întreg sistemul de iluminat. Întrucât sistemele de iluminat cu LED-uri pot folosi o sursă eficientă pentru alimentarea a sute de LED-uri sau o sursă dedicată pentru iluminarea cu un singur LED, eficacitatea poate varia în limite largi. In fig.4.7 se prezintă variația eficienței comparativ cu cea a fluxului luminos. Se poate observa că eficiența scade odată cu creșterea curentului prin dioda LED.

Fig.4.7. Variația eficienței LED cu intensitatea curentului (OSRAM)

Testarea fotometrică realizată de U.S. Department of Energy (DOE) din iunie 2007 până în februarie 2008: 9 lm/W pentru becul cu halogen, 16, 27 respectiv 42 lm/W pentru sistemele cu LED-uri, 24 lm/W pentru becul fluorescent fără certificare Energy Star si 43 lm/W pentru cel cu certificare Energy Star. În anul 2012 eficacitatea LED-urilor a atins 150 lm/W iar în anul 2014 General Electric a anunțat un LED prototip cu o eficacitate ce depășește 160 lm/W.

Datorită naturii direcționabile a luminii LED-urile au, în anumite aplicații, o eficiență mai mare ca a altor surse de lumină. Becurile incandescente și cele fluorescente emit lumină în toate direcțiile. O mare parte din lumina produsă de sursă se pierde în corpul de iluminat, sau este emisă într-o direcție care nu este destinată aplicației respective. LED-urile emit lumină într-o direcție anume, reducând necesitatea montării oglinzilor și a difuzoarelor de lumină ce o pot obtura, astfel că sursele de iluminat cu LED-uri transmit lumina mult mai eficient obiectivului dorit.

Dispozitive optice și noi metode de asamblare au crescut valoarea iluminării realizată de LED-uri la niveluri care sunt utile pentru aplicații de iluminat. Pe lângă creșterea dimensiunii elementelor semiconductoare, construcția LED s-a schimbat, de asemenea, pentru a le face mai eficiente. Folosirea substraturilor transparente și optimizarea formei elementului semiconductor au crescut cantitatea de lumină, așa cum se arată în fig.4.8.

4.3. Caracteristici tehnice pentru LED

Următorii parametrii electrici trebuie avuți în vedere la proiectarea unei instalații cu LED-uri:

Caracteristica I-U și tensiunea de deschidere UF;

Intensitatea curentului prin diodă;

Tensiunea și curentul invers;

Temperatura joncțiunii semiconductoare (Tj) și fenomenele asociate:

*Reducerea tensiunii UF datorită temperaturii Tj

*Modificarea culorii datorită Tj

*Micșorarea fluxului luminos la creșterea temperaturii Tj.

În fig.4.9 se prezintă variația fluxului luminos în funcție de temperatura joncțiunii. Scăderea este mai accentuată la Led realizate pe baza InGaN (de exemplu, albastru, verde, alb) decât la cele obținute din AlGaInP (de exemplu, roșu).

Fig.4.9 Influența Tj asupra fluxului luminos

Variația tensiunii de deschidere în funcție de temperatura joncțiunii este prezentată în fig.4.10. Se observă scăderea tensiunii de deschidere simultan cu creșterea temperaturii joncțiunii diodei (OSRAM).

După cum se poate observa în fig.4.11 modificarea culorii poate fi semnificativă la creșterea temperaturii joncțiunii.

Fig.4.10 Variația UF cu Tj Fig.4.11. Modificarea culorii cu Tj

Stabilirea unor curenți mai mari prin diodă, deci creșterea Tj, conduce la scăderea în timp a fluxului luminos. In fig.4.12 se indică această scădere pentru un LED culoare roșie 5 mm (Narendran and Bullough 2001).

Fig.4.12. Influența curentului în timp asupra fluxului luminos

Controlul temperaturii joncțiunii și păstrarea valorii acesteia în limite impuse constituie unul din elementele importante de proiectare. În Anexa 2 sunt indicate căile de eliminare a căldurii produsă în LED. Orice material ce poate asigura eliminarea căldurii către mediul exterior se poate folosi ca radiator. Structura acestuia trebuie să asigure o suprafață de disipare cât mai mare – fig.4.13.

Fig.4.13. Exemplu de radiator pentru sisteme de iluminat cu LED

Sistemele complexe de iluminat cu LED au încorporat un element radiator pentru a elimina căldura generată în timpul funcționării – fig.4.14. Structura prezentată conține arii cu diode LED, driver, radiator și sistemele optice și electronice de comandă.

Fig.4.14. Eliminare căldură într-un sistem de iluminat

În tabelul următor sunt indicați câțiva fabricanți importanți pe plan mondial în domeniul LED.

4.4. Comanda fluxului luminos al LED-ului

4.4.1. Elemente generale

Dioda LED începe să producă lumină odată ce tensiunea de alimentare este egală sau mai mare decât tensiunea de deschidere. Curentul necesar pentru luminozitate completă variază, dar este, de obicei, 350mA pentru un LED de 1W (practic, cea mai mică dimensiune utilizată în aplicații de iluminare). Spre deosebire de becurile incandescente, LED-urile sunt dispozitive neliniare. Acest lucru înseamnă că, odată ce tensiunea de alimentare depășește tensiunea UF, curentul crește exponențial în funcție de tensiunea de alimentare.

Pentru a preveni acest comportament, sursa de alimentare trebuie să furnizeze o tensiune corespunzătoare la un curent corespunzător. Cel mai simplu mod de a realiza acest lucru ar fi selectarea unei o surse de alimentare cu o tensiune de ieșire corespunzătoare LED-ului și limitarea curentului la valoarea maximă specificată de către constructor. Însă, în acest mod, este compromisă eficiența soluției, unul dintre principalele avantaje ale iluminatului cu LED. Căderea de tensiune pe dispozitivul de limitare a curentului conduce la modificarea mărimilor electrice din circuit și, prin urmare, la micșorarea curentului și implicit a fluxului luminos.

Cea mai bună abordare constă în alimentarea LED-ul de la o sursă de curent constant. Acest lucru permite setarea curentului la valoarea maximă specificată pentru a atinge cea mai mare eficiență și fiabilitate, luminozitatea exactă și, de asemenea, eliminarea efectelor datorate modificării temperaturii joncțiunii Tj.

Unul dintre beneficiile utilizării LED-urilor în aplicațiile de iluminat este ușurința de a varia luminozitatea. Acest lucru poate fi realizat prin varierea curentului prin LED, în special prin folosirea tehnicii de modulare PWM.

Selectarea o alimentare tipul de alimentare pentru o soluție de iluminare se bazează pe mai mulți factori. În primul rând, trebuie cunoscut mediul: interior sau exterior. Apoi, trebuie avută în vedere puterea necesară pentru iluminat. Un singur corp de iluminat poate solicita doar o sursă de putere mică dar un sistem complex are nevoie de surse de alimentare de sute de wați. Trebuie să se aibă în vedere regulamentele impuse pentru calitatea energiei în circuitele de iluminat (conținut de armonici) și de cele pentru iluminatul general și de siguranță. Standardul IEC61347 partea 1 acoperă cerințele generale pentru iluminat siguranță iar partea a doua se referă la surse de alimentare pentru module LED. Armonicele din curba curentului trebuie să respecte prevederile standardului EN61000-3-2(4) și clasa de echipamente pentru iluminat este clasa C. În această clasă există un set de limite pentru surse de iluminat cu puteri mai mari de 25W și un alt set pentru puteri mai mici de 25W. Pentru a satisface limitele este necesară, în general, corecția factorului de putere.

4.4.2 Alimentarea unui LED

O primă variantă constă în folosirea unei surse de tensiune – fig.4.15. Curentul dorit se stabilește prin înserierea cu dioda LED a unui rezistor Rs ce preia diferența de tensiune dintre tensiunea de alimentare U și tensiunea la bornele diodei UF.

Fig.4.15. Alimentare LED de la sursă de tensiune

LED-urile sunt dispozitive cu o caracteristică curent-tensiune abruptă, prin urmare alimentarea de la o sursă de tensiune poate conduce duce la variații mari ale curentului direct chiar și pentru variații mici ale tensiunii.

Majoritatea circuitelor integrate de alimentare sunt construite ca să furnizeze o tensiune constantă pentru o gamă de curenți (fig.4.16 ).

Fig.4.16. Regulator tensiune continuă

Nu este ușor de adaptat un regulator de tensiune pentru a furniza curent constant în condițiile necesare funcționării LED. Tensiunea continuă este aplicată circuitului ce conține LED-ul iar intensitatea curentului este reglată prin valoarea unui rezistor (fig.4.17 )

Fig.4.17. Alimentare LED de la sursă de tensiune

Diferite soluții de alimentare a LED cu sursă de tensiune sunt indicate în figura următoare. Dacă curentul necesar este mai mare decât cel de la ieșirea regulatorului de tensiune se pot folosi circuite cu tranzistoare bipolare NPN sau PNP.

Fig.4.18. Driver cu tranzistor

Se pot folosi și circuite integrate cu porți logice TTL și CMOS cu observația că nu se pot depăși valori de curent de 30…50 mA – fig.4.19.

Fig.4.19. Driver cu TTL și CMOS

4.4.3. Alimentare șiruri și matrice LED

Fără a ține cont de tip, culoare, mărime sau putere, toate LED-urile funcționează în condiții optime atunci când sunt alimentate de o sursă de curent constant.

Pentru un număr mai mare de LED-uri, principala problemă este asigurarea curentului prin fiecare LED în parte.

Introducerea LED-urilor în serie, paralel sau în configurații de tip matrice (combinație de serie și paralel) le permite acestora să fie acționate de la o singură sursă curent.

Conectarea LED-urilor în serie este un mod simplu de a asigura același curent prin fiecare dispozitiv – fig.4.20. Acest montaj oferă avantajul că stabilirea aceluiași curent prin fiecare diodă conduce la aceeași strălucirea a luminii emise. Un alt avantaj este faptul că dacă un LED se scurtcircuitează, celelalte LED-uri încă mai sunt aprinse. Dacă un LED este întrerupt atunci se întrerupe curentul și toate LED-urile se sting. Un alt dezavantaj este reprezentat de necesitatea unei tensiuni de ieșire de valoare ridicată a driver-ului dacă sunt mult diode în șir.

Fig.4.20. Conectare LED-uri în serie Fig.4.21. Conectare LED-uri în paralel

În fig.4.21 se prezintă conectarea în paralel a mai multor șiruri de LED-uri. Avantajul este că pentru același număr de LED-uri, adică aceeași luminozitate, sursa de alimentare are o tensiune de ieșire mai mică, numărul de LED-uri din fiecare șir poate fi redus. Un alt avantaj este că, dacă una dintre diode dintr-un singur șir se întrerupe celelalte șiruri funcționează însă, pe ansamblu, scade iluminarea. Dezavantajul scheme este reprezentat de imposibilitatea controlului egalității curenților prin fiecare șir. Datorită tensiunilor de deschidere ușor diferite în fiecare șir apare necesitatea unui dispozitiv de echilibrare a curenșilor din fiecare șir, fapt ce conduce la reducerea eficienței generale.

Într-o configurație de matrice, LED-uri pot fi aranjate într-o manieră similară cu cea prezentată în fig.4.22. Marele avantaj al aceastei configurații este că dacă un singur LED se întrerupe, există încă o cale pentru curent să treacă prin toate celelalte LED-uri. Principalul dezavantaj este că este mai greu controlat și de chilibrat curentul prin fiecare LED.

Fig.22. Matrice LED Fig.4.23. Driver multicanal

În fig.4.23 se prezintă o structură în care șirurile de lED-uri sunt alimentate de la ieșirea unui driver cu ieșiri multiple. Acest lucru are avantajul că tensiunea totală pe șir poate fi redusă pentru orice luminozitate necesară și că fiecare șir este alimentat de la o sursă de alimentare individuală. Defectarea unui șir nu va afecta alte șiruri de diode LED în nici un fel. Un dezavantaj este că sursa de alimentare este mai scumpă pentru că fiecare șir dispune de o ieșire individuală. Soluția oferă mai multă flexibilitate în aplicații unde luminozitatea unui șir trebuie să difere de a celorlalte sau unde este necesară întreruperea unor șiruri.

Toate aceste circuite liniare de tip driver au au eficiență acăzută, motiv pentru care ele sunt treptat înlocuite cu drivere PWM, la cre valoarea curentului poate fi reglată pe baza coeficientului de umplere – fig.4.24.

Fig.4.24. Driver cu modulare PWM

4.5. Surse în comutație pentru alimentare LED

4.5.1 Caracteristici generale

Sursa electronică în comutație este un echipament de conversie de înaltă eficiență ce utilizează dispozitive semiconductoare de putere în procesul de comutație în vederea obținerii caracteristicilor dorite pentru curent și tensiune. Caracterul nelinear este conferit de tranziția permanentă între starea de conducție și cea de blocare. Eficiența se datorează perioadei foarte scurte în care sursa livrează putere la capacitate maximă, astfel încât puterea pierdută prin efectul Joule de încălzire a căilor de curent este redusă. O putere scăzută disipată implică și folosirea unui radiator mai mic, rezultând dimensiuni scăzute. Valoarea tensiunii livrate la ieșirea sursei depinde de factorul de umplere. O astfel de sursă, folosită în alimentarea LED-urilor de putere necesită un corecția factorului de putere și obținerea unei forme de undă cu un număr mic al armonicilor emise, pentru a satisface standardul 61000-3-2 Clasa C – fig.4.25.

Fig.4.25. Schema bloc a unei surse în comutație

Principala funcționalitate a surselor în comutație este aceea de a converti tensiunea alternativă în tensiune continuă și de a modifica parametrii acesteia. Tensiunea alternativă redresată de punte este filtrată de un condensator de valoare mare. Un MOSFET de putere eșantionează tensiunea continuă la frecvențe înalte de comutație și cu un factor de umplere dorit. Cu cât este mai înaltă frecvența de comutație a sursei, cu atât eficiența acesteia este mai mare iar transformatoarele folosite sunt de dimensiuni mai mici. Un circuit specializat comandă MOSFET-ul cu semnalul PWM. Filtru EMI face ca emisiile injectate de sursă spre rețeaua de alimentare să se încadreze sub pragul impus de standarde.

Un regulator în comutație este cea mai bună alegere pentru alimentarea unui LED când se dorește o eficiență mare și o putere disipată mică într-o sursă de curent constant.

Când tensiunea de intrare este mai mică față de tensiunea la ieșire trebuie folosită o sursă în comutație, iar când tensiunea de intrare este mult mai mare decât tensiunea la ieșire, devin evidente avantajele unui regulator în comutație față de regulatorul linear.

Principalele tipuri de drivere pentru LED cu surse în comutație sunt următoarele:

►Driverele tip Step-Down (Buck) – ideale pentru aplicații în care tensiunea de intrare este mai ridicată decât cea necesară funcționării LED-urilor. Aceste drivere LED asigură eficiența cea mai mare și cel mai mic zgomot. Alte caracteristici: includ diode Schottky, asigură reglarea exactă a curentului prin LED și au capabilități multiple la ieșire.

► Driverele tip Step-Up (Boost) – generează tensiuni ridicate necesare pentru alimentarea mai multor LED-uri conectate în serie, pot asigura curenți (prin urmare, luminozități) diferite pentru unele dintre LED-uri. Convertoare boost se pot folosi la alimentarea sistemelor de iluminat portabile: un LED alb necesită, de obicei, o alimentare cu o tensiune de 3,3 V ca să emită lumină și un convertor boost poate asigura această valoare de la o baterie de 1,5V.

► Drivere tip Buck-Boost – permit funcționarea echipamentelor LED atunci când tensiunea de intrare este mai mică sau mai mare decât tensiunea LED-ului. Acest lucru este ideal în cazuri cum ar fi cel al unei singure celule de baterie Li-Ion ce alimentează un singur LED; tensiunea de intrare provenită de la baterie poate varia de la 4,2V, cu bateria complet încărcată, până la 2,7V, cu bateria descărcată. Aceste drivere LED oferă eficiența cea mai mare și cel mai mic zgomot.

4.5.2. Drivere tip buck

Convertorul buck standard prezentat în fig.4.26 este alegerea ideală pentru furnizarea unui curent constant datorită inductivității de ieșire. Riplul curentului DiL este o mărime cunoscută și controlabilă iar valoarea curentului mediu prin inductor egală cu cea a curentului IF al seriei de LED-uri.

Faptul că valoarea curentului nu se poate schimba instantaneu în timpul comutației face realizarea conversiei unei surse de tensiune constantă într-o sursă de curent constant să fie mult mai simplă.

Fig.4.26. Regulator buck cu condensator Fig.4.27. Regulator buck fără condensator

la ieșire la ieșire

Ca și în cazul regulatorului de tensiune, conceperea unei surse de curent folosind un regulator în comutație se bazează pe două criterii principale: precizia reglării curentului mediu și riplul (ΔiF). Toleranța curentului mediu depinde de precizia circuitului de detecție și de cel al referinței de tensiune. Riplul curentului LED-ului depinde de tensiunea de intrare, tensiunea de ieșire, frecvența de comutație și de inductivitate.

Convertorul buck este caracterizat de modul de conducție continuă care păstrează mereu un curent pozitiv prin inductor. Din moment ce prin inductor circulă același curent ca prin matricea de LED-uri și păstrarea curentului constant prin LED-uri este principalul obiectiv, funcționarea în modul de conducție continuă este preferată pentru un convertor buck care furnizează un curent constant.

Aproape orice regulator de tensiune cu ieșire reglabilă poate fi modificat pentru a controla curentul la ieșire folosind metoda din fig.4.27. Regulatorul buck este mic deoarece condensatorul de la ieșire nu este necesar pentru a furniza curent sarcinii pe durata când comutatorul este închis sau deschis.

Sursele de curent constant pentru LED-uri nu au regimuri tranzitorii ale sarcinii, condensatorul de la ieșire este necesar doar dacă se impune o amplitudine mai mică a riplului curentului prin matricea de LED-uri.

Fig.4.25 și 4.26 prezintă două versiuni ale unui circuit de comandă pentru LED conceput să furnizeze 1 A la o tensiune de 3,5 V, având tensiunea de alimentare de 12 V și o frecvență de 500 kHz. Ambele circuite controlează ΔiF de 100 mAV-V sau 10% din valoarea medie a curentului.

Riplul curentului prin inductor (ΔiL) într-un convertor buck cu frecvență fixă poate fi estimat din relațiile:

(4.8)

Acest circuit poate funcționa cu o inductivitate mai mică cât timp se bazează pe impedanța mică a CO pentru a filtra o mare parte a riplului curentului. Un condensator ceramic de 1 µF având tensiunea de 6,3 V sau 10 V asigură o filtrare a riplului mai mult decât suficientă.

Circuitul din Fig.4.26 economisește o componentă și crește impedanța de ieșire a circuitului însă depinde în totalitate de inductanță pentru a controla riplul prin LED ca ΔiL = ΔiF.

Tabelul 4.3 prezintă o comparație pentru compromisul dintre riplu și inductanță ale celor două topologii.

Tabelul 4.3

Alte convertoare cum ar fi boost, flyback și SEPIC se bazează pe condensatorul de ieșire pentru a menține tensiunea la ieșire pe durata unei porțiuni a ciclului de comutație.

Aceste regulatoare nu pot fi folosite fără o capacitate la ieșire, lucru ce face mult mai dificilă varierea intensității cu metoda reglării în durată a pulsurilor (PWM).

Regulatoarele în comutație în configurație ca surse de curent constant nu au probleme în condiții de scurtcircuit a șirului de LED-uri însă vor determina o tensiune de ieșire foarte mare în cazul în care LED-ul cedează și circuitul se deschide. Acest tip de defect este o problemă obișnuită a LED-urilor superluminoase datorită tendinței firelor de a se rupe pe durata unui supracurent sau datorită solicitării termice.

În cazul unui regulator buck tensiunea de ieșire poate crește până la valoarea tensiunii de intrare multiplicate cu factorul de umplere maxim. Cum multe surse de curent bazate pe regulatorul buck folosesc o capacitate mică la ieșire sau chiar condensatorul lipsește, se poate alege ca circuitul de ieșire să funcționeze până la tensiunea maximă de intrare pentru a permite creșterea tensiunii în cazul în care sursa funcționează în gol. În această situație, curentul fiind foarte mic sau chiar nul, șansele de solicitare termică sunt foarte mici.

În cazul convertoarelor boost și a celor buck-boost, tensiunea de ieșire a unui circuit deschis este nedeterminată și poate depăși tensiunea maximă a regulatorului, a dispozitivelor semiconductoare de comutație și a filtrului de ieșire. O metodă simplă de prevenire a creșterii tensiunii de ieșire este plasarea unei diode Zenner între ieșire și intrarea reacției profitând de comparatorul de protecție la supratensiune ce se găsește în cele mai multe regulatoare în comutație.

În fig.4.27 este prezentată această metodă de protecție cu diodă Zenner iar în fig.4.28, metoda alternativă ce utilizează tranzistorul MOSFET conectat în paralel, folosit în reglarea PWM cu frecvență mare.

Aceste metode vor crea întreruperi ale sistemului, tensiunea crescând, fiind întreruptă apoi de circuitul de protecție. Se pot adăuga circuite de protecție cu blocare, multe circuite integrate având blocarea inclusă în circuitele de protecție la supratensiune.

Fig.4.27. Protecție internă la Fig.4.28. Protecție externă la

supratensiune cu diodă Zenner supratensiune cu tranzistor MOSFET

Un regulator buck cu reacție în tensiune și condensator la ieșire care folosește un amplificator operațional de amplificare a erorii este prezentat în fig.4.29. Controlarea curentului la ieșire reprezintă o schimbare semnificativă în calcularea compensării deoarece rezistența dinamică a diodei este cu câteva ordine de mărime mai mică față de rezistența de reacție asociată controlului tensiunii de ieșire. Rezistorul R2 din fig.4.29 este folosit pentru a crește rezistența de ieșire spre intrarea inversoare a amplificatorului de eroare, păstrând valoarea condensatorului de ordinul pF până la nF. Rezistența R2 oferă de asemenea un punct convenabil de injectare a unui semnal alternativ pentru analizarea buclei de control cu ajutorul unui analizor.

Fig.4.29. Regulator buck cu reacție in tensiune Fig.4.30.Regulator buck fără condensator la

ieșire

Regulatoare buck cu histerezis și timp permanent de conducție controlează ieșirea prin compararea directă a semnalului de reacție cu tensiunea de referință. Histerezisul comparatorului delimitează un interval în jurul tensiunii de referință în care este reglată ieșirea. Regulatoarele în comutație cu histerezis și timp constat de conducție sunt atractive ca surse de curent pentru LED-uri datorită stabilități ce nu ține seama de circuitul de forță.

Spre deosebire de convertoarele reglate cu ajutorul metodei PWM, cele cu histerezis nu au amplificatoare de eroare sau de bucle de reglaj cu semnal mic și nu sunt analizate din perspectiva amplificării și a fazei. Controlul cu histerezis are un răspuns tranzitoriu mult mai rapid ca al oricărui regulator cu PWM, ceea ce constituie un avantaj față de regulatoarele cu reacție în curent sau tensiune atunci când se dorește reglajul cu metoda PWM.

Convertoarele cu conducție constantă folosesc temporizatoare monostabile, pentru a fixa durata de conducție sau blocare și comparatoare cu histerezis pentru închiderea sau deschiderea comutatorului. Acest control suplimentar ajută în menținerea constantă a frecvenței de comutație când tensiunea de intrare variază.

Regulatorul buck flotant este denumit și „regulator buck negativ” sau cu referință la intrare. Este un regulator în comutație cu aceeași funcție de transfer și același raport de încărcare al condensatorului de ieșire ca ale unui regulator buck standard.

În fig.4.31, circuitul format din comutatoarele de putere, inductor și condensatorul de ieșire, folosește un tranzistor principal ce este conectat la masă. Este simplificat circuitul de comandă al tranzistorului de putere și cel de detecție a curentului de vârf prin inductor, creând o ieșire ce are ca referință tensiunea de intrare și nu masa. Sursele de curent constant cu regulator buck flotant, asemenea convertoarelor buck standard, trebuie să funcționeze în modul de conducție continuă pentru a permite eliminarea condensatorului de ieșire.

Principalul avantaj al convertoarelor buck flotante cu circuite de control integrate și tranzistor MOSFET extern este posibilitatea de funcționare la tensiuni ce depășesc tensiunile de alimentare ale circuitelor integrate. Această metodă poate fi aplicată altor convertoare cu tranzistoare cu referință la masă, folosind un rezistor și o diodă Zenner pentru a limita tensiunea de alimentare a circuitului integrat. Dioda Schottky trebuie folosită oricând este posibil ca diodă de recirculație într-un convertor buck flotant.

Fig.4.31. Regulator buck flotant cu intrare protejată cu diodă Zenner

4.6. Exemple de drivere pentru LED

Un exemplu de convertor liniar pentru reglarea curentului continuu ce trece prin diodă este cel realizat cu circuitul integrat LM317L (Texas Instruments). Este un regulator de tensiune cu trei terminale ce asigură pentru un interval de tensiuni 3V ≤ (Ui-U0) ≤ 40V adică tensiuni de ieșire U0 = 1,2V…3,7V, cu o exactitate mai bună de 0,01%/V. Pentru reglarea unui curent continuu constant prin sarcină se folosește schema din fig.4.32.

Fig.4.32. Reglare curent

Curentul de ieșire se determină cu relația:

Pentru a alimenta un șir de LED-uri schema devine:

Fig.4.33. Alimentare șir LED cu un curent constant

Alimentarea mai multor șiruri de LED-uri dispuse în paralel la ieșirea circuitului LM317L conduce la schema următoare:

Fig.4.34. Alimentare șiruri de leduri dispuse în paralel

Este necesar ca diodele să aibă caracteristici cât mai apropiate, fără variații mari ale tensiunilor de deschidere. În plus, dacă unul din șiruri se întrerupe, celelalte vor fi alimentate cu un curent mai mare, ceea ce va conduce la încălzirea și distrugerea elementelor montajului.

Circuitul din fig.4.35 elimină acest inconvenient prin plasare rezistenței de limitare R pe fiecare șir de diode.

Fig.4.35. Alimentare sigură a șirurilor de LED-uri

Curentul prin fiecare șir de LED-uri are valoarea dată de expresia:

Când circuitul operează în stare normală, căderea de tensiune pe rezistorul R are valoarea de 1,25V și tranzistorul este în conducție, ceea ce conduce la schema anterioară de funcționare corectă pe fiecare șir. Dacă unul din șirurile LED se întrerupe, dispare căderea de tensiune pe rezistorul R respectiv, tranzistorul atașat se blochează și se deconectează șirul. Celelalte șiruri de LED-uri rămân neafectate.

O soluție de driver step-down pentru o sursă de curent aplicabilă LED-urilor cu lumină albă, de mare putere, este circuitul integrat NTE7208 (http;//www.nteinc.com). Funcționează în două variante: PWM cu control digital (fig.4.36 a ) și PWM cu control manual (fig.4.36 b).

b)

Fig. 4.36. Driver PWM

Diagramele semnalelor de control și a formei curentului sunt prezentate în fig.4.37.

Fig.4.37. Forme de semnale

Circuitul ZXLD1350 este de tip step-down și se folosește pentru alimentarea unui LED sau a mai multor LED-uri înseriate. Tensiunea de intrarea poate lua valori între 7V și 30V și poate regla un curent de ieșire până la 350mA. Pinul ADJ poate fi alimentat cu tensiune continuă sau modulată PWM și asigură un curent de ieșire continuu sau PWM. În fig.4.38 se prezintă schema circuitului de alimentare a unui șir de LED-uri și rezultatul simulării pentru tensiunea de intrare și curentul prin LED-uri.

Fig.4.38. Circuit realizat cu ZXLD1350

Simularea prezentată în fig.4.39 se referă la circuitul ZXSC310 se referă la indicarea unei metode de protecție la inversarea polarității prin adăugarea unui rezistor de limitare a curentului și a unei diode Schottky. Se prezintă rezultatul simulării pentru Usense și curentul prin diodă.

Fig.4.39. Circuit realizat cu ZXSC310

4.7. Soluții pentru iluminatul cu LED

Utilizarea surselor de iluminat cu LED-uri prezintă un interes deosebit în locurile în care se impune un anumit spectru al radiației luminoase (o anumită culoare a luminii). Realizarea unei anumite culori, în cazul surselor clasice de lumină, necesită prezența unor filtre care permit trecerea numai a radiaților dorite. Acest lucru determină o eficiență deosebit de scăzută a sursei, circa 80% din radiațiile emise de sursă fiind oprite de filtrul color. Utilizarea surselor cu LED-uri permite alegerea acestora cu culoarea dorită, realizând o eficientă energetică mult superioară soluției clasice

Utilizarea diferitelor tipuri de LED-uri în cadrul unei surse de lumină permite controlul spectrului luminos al sursei.

Simplitatea comenzilor pentru modificarea fluxului luminos emis, în funcție de programul dorit sau în funcție de nivelul luminii naturale determină posibilitatea utilizării eficiente a lămpilor cu LED-uri pentru realizarea unui mediu luminos confortabil, cu eficiență energetică ridicată.

Dimensiunea redusă a sursei de lumină determină ca sursele de iluminat cu LED-uri să fie caracterizate de o luminanță de circa 3,5 ori mai mare decât a surselor clasice și o curbă fotometrică avantajoasă pentru sistemele de iluminat.

Sistemul optic al LED-urilor poate fi realizat astfel încât să asigure distribuția dorită în spațiu a intensității luminoase. În general, distribuția are loc într-un unghi bine definit, ceea ce asigură, pe direcția necesară un flux luminos intens și practic uniform. În fig.4.40 este indicată forma determinată experimental a corpului fotometric al unei lămpi cu LED-uri.

Fig.4.40. Corpul fotometric al lămpii cu LED

Analiza soluției din fig.4.40 pune în evidență realizarea, pe suprafața de lucru a unui spațiu practic uniform iluminat, a eficienței luminoase s :

(4.9)

stabilită de fluxul luminos s emis de sursa luminoasă datorită puterii P absorbită de la sursă.

La utilizarea lămpilor cu LED-uri, nivelul de iluminare este practic constant, rezultând:

(4.10)

Dimensionarea instalațiilor de iluminat stradal se face în funcție de luminanța impusă și având în vedere suprapunerea contribuțiilor diferitelor surse. Pentru cazul simplu al unei surse de lumină (fig.4.41) luminanța în punctul Pi rezultă din:

(4.11)

Fig. 4.41.Explicativă pentru calculul instalațiilor de iluminat exterior

unde: mt = msmc este factorul de menținere al sursei de lumină (se observă că este definit ca produsul dintre factorul de menținere al lămpilor și factorul de menținere al sistemului optic),

qPi – factorul de luminanță (indicat în funcție de tipul sursei și de unghiurile și , în care este unghiul sub care un observator dintr-un vehicul observă punctul Pi),

EPi – nivelul de iluminare în punctul Pi.

Luminanța LPi determinată de sursa de lumină Sk aflată la înălțimea H deasupra solului se determină cu relația:

(4.12)

Intensitatea luminoasă Ic a sursei de lumină, în direcția este cunoscută din curba fotometrică indicată de constructorul corpului de iluminat:

( 4.13)

În cazul general, în care sunt mai multe surse de lumină, luminanța totală (LPi)total rezultă prin însumarea contribuțiilor celor n surse de lumină

(4.14)

Valorile factorului de luminanță redus sunt tabelate pentru fiecare sursă și diferite valori ale unghiurilor corespunzătoare sistemului de iluminat.

Alegerea surselor de lumină se face pe baza relațiilor indicate mai sus, printr-un calcul iterativ. Soluția obținută se verifică din punctul de vedere al orbirii de inconfort, prin:

factorul de neuniformitate global kg al luminanțelor pe toată zona de carosabil

(4.15 )

factorul kl de neuniformitate longitudinală pe axa străzii

(4.16 )

Soluțiile integrate pentru iluiminatul cu LED conțin componente ce provin, în cea mai mare parte, de la marii producători la nivel mondial. În tabelul următor sunt prezentați producătorii importanți de drivere pentru LED

Tabel 4.4. Producători drivere

4.8. Analiza experimentala a soluției de control a sistemelor de iluminat cu LED

cu microcontroler TMS320F2803x

Platforma experimentală

Microcontrolerul Piccolo TMS320F2803x face parte din familia de microcontrolere C2000, dispozitive care permit proiectarea eficientă a sistemelor de iluminat cu LED-uri. Cu aceste dispozitive este posibil să se controleze mai multe șiruri de LED-uri într-un mod eficient și foarte precis. Pe lângă aceasta, microcontrolerele din familia C2000 permit să se integreze mai multe sarcini suplimentare: etape de conversie c.c./c.c., c.a./c.c.,
conversie cu PFC, sistem de management, precum și diverse protocoale de comunicație sau chiar comunicare prin linia de alimentare.

Platforma de dezvoltare Texas Instruments bazată pe microcontrolerul F28035 conține următoarele elemente funcționale [72]– fig.4.42:

Circuit sursă de alimentare c.c./ c.c.

Cartelă Piccolo F28035

Panel cu Led-uri Tip OSRAM de culoare albă

Adaptor 12V

Circuit conexiune USB.

Orice sistem cu LED trebuie să conțină un circuit de alimentare care să asigure valorile corecte pentru tensiune și curent la fiecare șir de LED-uri. Un astfel de sistem tipic –fig.4.43 – conține pe lângă redresare, funcția de corectare a factorului de putere și unul sau mai multe circuite ce asigură alimentarea șirurilor de LED-uri.

Fig.4.42. Platforma de dezvoltare

Pentru a se obține un sistem cu eficiență ridicată fiecare convertor component trebuie să fie eficient iar controlul să asigure eficiența generală.

Fig.4.43 Sistem iluminat cu LED

Platforma de dezvoltare conține convertoarele începând cu convertorul c.c./c.c ce asigură alimentarea pentru tensiuni de alimentare continui 12-36V. Această tensiune de intrare este aplicată unui convertor SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter) care asigură o tensiune de ieșire care poate fi mai mare sau mai mică decât cea de intrare.

Tensiunea de ieșire a convertorului SEPIC alimentează fiecare șir de LED. Pentru a realiza un reglaj independent al curentului prin șir (dimming) un tranzistor MOSFET este plasat în serie cu fiecare șir de LED-uri. Deoarece strălucirea LED-ului este proporțională cu valoarea curentului continuu ce parcurge dioda, se realizează un control al factorului de umplere al fiecărui șir prin controlul valorii medii a curentului (PWM).

Convertorul SEPIC are următoarele caracteristici tehnice:

Tensiune de intrare 12-36V

Tensiune de ieșire 9-42V

100kHz PWM

Protecție supracurent și supratensiune

Senzor de curent implementat în C2000 ce conține convertoare analog/digitale de performanță ridicată și amplificatoare tip OPA354 de viteză ridicată.

Convertorul de comandă a curentului prin LED asigură controlul PWM al fiecărui șir de LED-uri pentru a regla curentul dorit. Caracteristici tehnice:

Tensiunea de intrare 16,8-20,4V

Curent maxim de ieșire 1A

20kHz frecvența de eșantionare pe fiecare șir.

În fig.4.44. este prezentată schema funcțională a plăcii de dezvoltare.

Fig.4.44. Schema de principiu a plăcii de experimentare

Dispunerea componentelor plăcii este indicată în fig.4.45.

Fig.4.45. Sistemul hardware

Platforma experimentală poate comanda simultan 8 șiruri în paralel având fiecare 6 LED în serie – fig.4.46.

Fig.4.46. Platforma experimentală cu LED-uri

În fig.4.47 este prezentată caracteristica I = f(U) a diodelor folosite în experimentări. LED-ul se comportă similar cu o diodă, fiind necesară o anumită tensiune aplicată pentru a începe conducția directă. După depășirea tensiunii de deschidere curentul crește exponențial până atinge maximul prevăzut pentru LED-ul respectiv.

Fig.4.47. Caracteristica LED

Pentru șirul de LED-uri este necesar a se aplica o tensiune ce depășește de șase ori tensiunea de deschidere a unei diode.

Rezultate

Montajul experimental folosit este prezentat in fig.4.48. Platforma este conectata la un calculator iar formele de unda ale curentului prin șirul de diode sunt obținute cu un osciloscop digital.

Fig.4.48. Montaj experimental

S-au realizat diferite soluții de aprindere a șirurilor de LED-uri, de la un șir la șase șiruri simultan – fig.4.49.

Fig.4.49. Aprinderea șirurilor de LED-uri

Intensitatea curentului prin șirul de LED-uri a fost modificată pentru a se observa influența sa asupra intensității luminoase. Determinările au fost realizate pentru un singur șir ce conține 6 LED-uri în serie.

Modificarea curentului s-a realizat atât prin reglarea tensiunii de alimentare cât și prin modificarea factorului de umplere PWM.

Inițial, s-a alimentat convertorul SEPIC cu o tensiune de valoarea Ui = 12,44V. Convertorul lucrând în mod step-up asigură creșterea tensiunii sale de ieșire, care alimentează șirul de LED-uri, la valoarea 19,3V – fig. 4.50.

Al doilea set de măsurători s-a realizat pentru o tensiune de intrare la convertorul SEPIC mai mare decât cea de ieșire, convertorul lucrând în mod step-down. Rezultatele se regăsesc în fig. 4.51.

I=0,1A

I= 0,061A

I= 0,022A

Fig.4.50. Forme de unda pentru curentul prin diode. Convertor în mod step-up

I= 0,1A

I=0,061A

I= 0,022A

Fig.4.51. Forme de unda curent prin diode. Convertor în mod step-down

CAPITOLUL 5

ELEMENTE DE PROIECTARE PENTRU BECURI ȘI LĂMPI CU LED

5.1.Proiectare bec cu LED

5.1.1. Elemente tehnice pentru proiectare

Becurile cu LED-uri sunt destinate a înlocui becurile incandescente (puteri 25-75W) sau compact fluorescente (puteri 11-20W) cu soclu tip E27. Aceste becuri folosesc ca sursă de lumină LED-uri albe cu temperatura de culoare controlată și indice de redare a culorii mare (peste 80).

S-a proiectat becul cu LED conform următoarelor considerente [9]:

► Parametrii electrici impuși:

Tabelul 5.1

► Parametrii fotometrici impuși:

Tabelul 5.2

►Dimensiuni de gabarit: conform desen

Fig.5.1. Dimensiuni de gabarit

5.1.2 Determinarea parametrilor LED

Pentru dimensionarea modulului cu LED-uri se au în vedere parametrii optici și fotometrici impuși și puterea maximă consumată.

Fluxul luminos minim al LED se obține pornind de la fluxul luminos Fbec impus prin specificații prin împărțirea acestuia la transmitanța optică minimă a dispersorului (modulul optic) [19]:

(5.1)

Pentru a determina puterea totală consumată de LED se ține cont de puterea consumată de bec și de eficiența energetică minimă a driver-ului:

(5.2)

Rezultatele sunt prezentate in Tabelul 5.3.

Tabelul 5.3

Alegerea LED-urilor:

Bec 5W – LED cu următorii parametrii:

Tabelul 5.4

Fig.5.2. LED folosit la becul de 5W

Verificarea fluxului luminos și a iluminanței:

Fbec = N·Fo·t = 27·20·0,75 = 405 lm (impus minim 350 lm).

Iluminanța E(lx) la distanța de 1m este egală cu intensitatea luminoasă Iv (cd):

E= Ivbec= N·Ivled·t = 27·6,4·0,75 = 129,6 lx (minim impus 100 lx)

Bec 10W – LED cu următorii parametrii:

Tabelul 5.5

Fbec = N·Fo·t = 27·40·0,75 = 810 lm (impus minim 700 lm).

E = Iv_bec= N·Iv_led·t = 27·14 ·0,75 = 283,5 lx; (impus minim 200 lx)

Fig.5.3. LED pentru becul de 10W

Schema electronică a modulului cu LED-uri este prezentată în fig.5.4:

Fig.5.4. Conectarea LED-urilor

Cu un pachet software specializat s-a proiectat cablajului imprimat. Cablajul asamblat cu LED-uri este prezentat în Tabelul 5.6.

Tabelul 5.6

5.1.3.Proiectarea modulului sursa de alimentare

Sursa de alimentare (driverul de curent constant) utilizează soluția flyback single stage fără izolare galvanică cu un controller IW3626 în capsula SMD.

Tabelul 5.7

Schema electronica pentru driver de curent constant folosit la becurile cu LED-uri E27 este prezentată în figura de mai jos:

Fig.5.5. Schema electronică pentru driver

Calculul parametrilor schemei de alimentare:

Bec 5W

Tabelul 5.8

Bec 10W

Tabelul 5. 9

Lista componentelor electronice:

Tabelul 5.10

Cablaj imprimat proiectat este indicat în tabelul următor.

Tabelul 5. 11

Cablajul asamblat cu componente electronice este prezentat in tabelul următor:

Tabelul 5.12

5.1.4. Modulul optic

Pentru becul cu LED-uri cu soclu E27 se impune ca modulul optic să realizeze un flux luminos de valoare mare ți cu o distribuție asemănătoare cu a becurilor cu incandescență. Deoarece LED-urile sunt surse de lumină punctiformă, pentru a se realiza un flux luminos uniform se folosește un material cu proprietăți de dispersie a luminii.

Dispersorul este realizat din policarbonat translucid care trebuie să aibă transmitanța optic în spectrul vizibil mai mare de 75% .

Pentru disiparea căldurii degajate de joncțiunea LED-urilor și de driverul de curent constant se utilizează:

Un radiator sub forma unui disc de aluminiu pe care se montează modulul cu LED-uri;

Corpul becului se realizează din material plastic termoconductiv prevăzut cu o inserție din aluminiu pentru uniformizarea temperaturii. Pentru a favoriza transferul termic prin convecție pe partea exterioară a acestuia sunt dispuse 10-12 aripioare cu forma elicoidală.

Corpul becului este subansamblul în care se montează toate părțile componente ale becului:

Modulul cu LED-uri;

Driverul de curent constant;

Dispersorul;

Soclul cu filet Edison E27.

Corpul becului este realizat prin injecție sub presiune din masă plastică termoconductivă și izolatoare electric. Principalele caracteristici tehnice ale acestui material sunt prezentate în tabelul 5.13.

Tabelul 5.13

Proiectul a condus la realizarea schemelor circuitelor și a cablajelor aferente. Acestea au fost trimise în China la firma cu care colaborez de mai mulți ani în domeniul echipamentelor cu LED. Aici au fost realizate fizic circuitele și asamblat becul prezentat în figura următoare.

Fig. 5.6. Bec LED cu soclu E27

5.2.Proiectarea unui driver tip buck

► Date nominale:

Vin = 12 V Vout = 3,4 V D = Vout/Vin = 0,28

Is = 1 A Iriplu = 0,05*Is = 50 mA fsw = 200 kHz

► Calculul inductivității:

U = L ∙ΔI/ΔT

L = U ∙ΔT/ΔI = (Uin – Uout)∙(D/fsw)/Iriplu = 240 µH

În acest caz, cea mai apropiată valoare este 220 µH cu un curent maxim de 2,4 A și o rezistență electrică de 0,38 Ω. Deoarece s-a ales o inductivitate de valoare mai mică față de cea calculată, se recalculează frecvența de comutație pentru ca riplul să nu depășească valoarea impusă.

fsw = (Uin – Uout)∙D/(L∙Iriplu) = 220 kHz

Puterea disipată datorită pierderilor în cupru: PCU = 0,38 W

► Calculul capacității necesare la ieșire:

ΔU = ΔI∙(ESR + ΔT/C + ESL/ΔT)

Cu valorile: ΔI = 0,05 A; ESR = 0,03 Ω ; ESL = 0 ; ΔT = D/fsw= 1,27 µs

Cout = (ΔI∙ΔT)/(ΔU – (ΔI∙ESR)) = 1,3 µF

► Calculul capacității necesare la intrare

Valoarea riplului curentului este maximă atunci când factorul de umplere este de 50%. Se impune o valoare maximă de 200 mV pentru riplul tensiunii de intrare.

Iriplu = Is/2 = 0,5 A ; Uriplu = 0,2 V ; ESR = 0,12 Ω

C = ΔT/((Uriplu/Iriplu) – ESR) = 4,53 µF

►Alegerea diodei

Intensitatea curentului estimat prin diodă:

ID = (1 – D)∙ Is = 0,27 A

Tensiunea inversă maximă a diodei este Vin = 12V.

Tensiunea si curentul sunt destul de mici încât să permit alegerea unei diode Schottky 1N5820 cu VRRM = 20V, ID = 3A și VF(max) = 0,475V.

Puterea disipată de diodă este: PD = VF·ID = 0,4 W

►Regulatorul Buck cu timp permanent de conducție

Se propune schema funcțională din fig.5.7.

In urma modelării schemei și a simulărilor s-au obținut următoarele elemente privitoare la funcționarea blocurilor componente.

Fig.5.8. Funcționarea comparatorului

Fig.5.7. Schema electrică a convertorului buck

Fig.5.9. Funcționarea circuitului bistabil

Fig.5.10. Comanda tranzistorului MOSFET și curentul comutat

Fig.5.11. Puterea disipată de tranzistorul Q1

Fig.5.12. Puterea disipată de dioda D1

Fig. 5.13.Puterea consumată de sarcină

Fig.5.14. Puterea la intrarea convertorului

Fig. 5.15.Puterea disipată de tranzistorul Q2

Fig.5.16. Puterea disipată în rezistorul de măsurare a curentului

5.3. Analiza economică a proiectării schemelor de iluminat cu LED

Cu ajutorul unui pachet software Texas Instruments s-a realizat o simulare cu ajutorul căreia s-au determinat componentele electronice necesare și s-a efectuat analiza economică a soluției într-o schemă electrică de iluminat cu ajutorul unui LED ales din catalogul pus la dispoziție de către fabricant.

În cele ce urmează, se prezintă pașii urmați pentru realizarea acestei simulări.

Interfața software este următoarea:

Fig.5.17. Interfața grafică

Cu ajutorul cataloagelor de produse din biblioteca programului se poate alege tipul de LED dorit. În aplicația prezentă s-a ales un LED cu următoarele caracteristici:

Furnizor: Philips Lumileds

Categorie: LUXEON Rebel General Purpose

Tipul de LED: LXML-PWC1-0090

Caracteristici LED: – Curentul ID = 0,35 A

Tensiunea UI = 3,15 V

Rezistența dinamică Rd = 0,52 Ω

Componenta este testată și aprobată la 350 mA, cu durata impulsului de curent de 20 ms. Toate caracteristicele grafice în care zona de contact termic este păstrată la o temperatură constantă (25° C, de obicei) sunt măsurate cu durata impulsului de curent de 20 ms. În aceste condiții, temperatura joncțiunii și temperatura plăcuței termică sunt aceleași.

Simularea a fost realizată în primă fază pentru un singur LED, așa cum se poate observa în imaginea de mai jos.

În urma simulării, au fost obținute mai multe soluții pentru convertorul coborâtor de tensiune. Convertorul ales în acest caz a fost ales LM25576-Q1, cu o gamă de tensiune de intrare de 6-42 V, un curent de 3 A cu un canal integrat MOSFET tip N de 170 mΩ .

Frecvența de funcționare este ajustabilă, de la 50kHz până la 1MHz, pentru a permite optimizarea dimensiunii și a eficienței.

Parametrii convertorului LM25576 sunt prezentați în tabelul următor:

Circuitul LM25576 asigură limitarea în curent a ciclurilor, protecție la scurt circuit, terminal de deconectare, deconectare termică și deconectare la comandă. Dispozitivul este disponibil într-un pachet HTSSOP-20 împreună cu un atașament extern pentru disipare termică. Schema electrică uzuală pentru convertorul coborâtor este prezentată în fig.5.1ă5 iar în fig.5.19 sunt prezentate performanțele acestuia pentru diferite valori ale tensiunilor.

Fig.5.18. Schema electrică a convertorului

Eficiența convertorului LM25576 se determină în funcție de tensiunea de intrare și de curentul de ieșire. În graficul de mai jos se observă că odată cu creșterea tensiunii de intrare, eficiența convertorului scade.

Fig.5.19. Performanțele convertorului

Schema electrică a circuitului de alimentare pentru LED-ul LXML-PWC1-0090 recomandată de software Texas Instruments este reprezentată în fig.5.20.

Fig.5.20. Schema electrică de alimentare pentru LED-ul LXML-PWC1-0090

Cu ajutorul acestui software s-a reușit calcularea costurilor pentru realizarea părții electrice de alimentare. În tabelul 5.14 sunt prezentate costurile pentru fiecare componentă electrică din fig.5.20.

Pentru o eficiență minimă de 82% a circuitului, costul total al acestuia este de 3,25$, în timp ce pentru o eficiență maximă de 92%, costul total al circuitului este de 10,55$.

Tabelul 5.14

Graficul eficienței circuitului obținut din simulare este dat în funcție de curentul de ieșire Iout pentru diferite valori ale tensiunii de intrare Vin și este redat în fig.5.21a.

In fig.5.21b este prezentată durată de funcționare a circuitului, aceasta fiind tot în funcție de curentul de ieșire Iout.

Din graficul eficienței se poate observa că aceasta crește odată cu scăderea tensiunii de intrare Vin.

Durata de funcționare crește odată cu scăderea tensiunii de intrare Vin.

Durata de funcționare nu este influențată pentru un curent de ieșire Iout mai mare de 0,4 A. Eficiența maximă a circuitului driver se obține pentru valoare curentului de ieșire Iout în jurul valorii de 0,8A.

a) b)

Fig. 5.21 a) Eficiența în funcție de Iout; b) Durata de funcționare în funcție de Iout

În continuare s-a realizat o nouă simulare pentru a putea face o comparație cu simularea anterioară. Se păstrează același model de LED, dar în acest caz se va alege alt circuit driver din soluțiile oferite de soft.

Deoarece am ales același tip de LED LXML-PWC1-0090 de la furnizorul Philips Lumileds, caracteristicile LED-ului au rămas neschimbate:

Caracteristici LED: – Curentul ID = 0,35 A

Tensiunea de deschidere UI = 3,15 V

Rezistența dinamică Rd = 0,52 Ω

Simularea a fost realizată tot pentru un singur LED, așa cum se poate vedea și în fig.5.22 de mai jos.

Fig.5.22. Interfața programului

În urma simulării, au fost obținute mai multe soluții pentru convertorul coborâtor de tensiune ales, în acest caz LM5119. Este un controler buck cu sincronizare dublă, construit pentru aplicațiile de coborâre de tensiune de la o tensiune înaltă sau pentru o gama variată de surse de alimentare. Metoda de control este bazată pe controlul curentului, folosind o rampă de curent simulată. Frecvența de comutare este reglabilă de la 50Hz până la 750kHz.

În tabelul de mai jos sunt prezentați parametrii convertorului LM5119:

Schema electrică pentru convertorul coborâtor este prezentată în fig.5.23.

Circuitul termic de închidere al convertorului este prevăzut pentru a proteja circuitul integrat, în cazul în care temperatura maximă a joncțiunii este depășită. Când este activat, de obicei, la temperatura de 1650C, controlerul este forțat să intre în stare de reset, dezactivând driver-ul de ieșire.

Această caracteristică este concepută pentru a preveni defecțiunile provenite de la supraîncălzire, ce ar duce la distrugerea dispozitivului.

Fig.5.23. Schema electrică de principiu a convertorului

LM5119 conține un sistem de monitorizare pentru limitarea curentului pentru a proteja regulatorul de posibile condiții de supracurent.

Schema electrică a circuitului de alimentare pentru LED-ul LXML-PWC1-0090 indicată de program pentru configurația aleasă este reprezentată în fig.5.24.

S-au calculat costurile pentru realizarea parții electrice de alimentare. Din însumarea prețului pentru componentele folosite a rezultat un total de 5,06$, pentru o eficiență a circuitului driver de 87%.

Graficul eficientei circuitului obținut din simulare este dat în funcție de curentul de ieșire Iout pentru diferite valori ale tensiunii de intrare Vin și este redat în fig.5.25.a)

In fig.5.25.b) este prezentată durata de funcționare a circuitului, aceasta fiind tot în funcție de curentul de ieșire Iout.

Fig.5.24. Schema electrică de alimentare pentru LED-ul LXML-PWC1-0090

a) b)

Fig.5.25. a) Eficiența în funcție de Iout; b) Durata de funcționare în funcție de Iout

Din graficul eficienței se observă că pentru o tensiune de 14 V circuitul driver atinge pragul de 90%, iar în timp ce tensiunea crește și eficiența scade.

În graficul din fig.5.25b) este prezentată durata de viață a circuitului driver și așa cum se observă, aceasta are tendința să crească pentru un curent de ieșire Iout mai mare de 0,6 A.

După simularea realizată pentru două tipuri diferite de circuite driver pentru alimentarea unui LED ales din catalog, se poate observa că există diferențe între parametrii celor două convertoare și anume:

Pentru convertorul LM25576 tensiunea maximă de intrare Vin(max) = 42V este mai mică decât tensiunea maximă de intrare Vin(max) = 65 V a convertorului LM5119, însă tensiunea minimă de ieșire este mai mare.

Convertorul LM5119 are un curent maxim de ieșire Iout = 40A mai mare față de primul convertor ales în prima simulare Iout = 3 A, în timp ce frecvența de comutare maximă este mai mare pentru primul convertor, fiind o diferența de 250 kHz între ele.

Pentru convertorul LM25576 eficiența rezultată este de maxim 86% pentru o tensiune de 14 V, în timp ce pentru aceeași tensiune eficiența convertorului LM5119 este de 90%.

Datorită eficienței mai mari oferite de cel de al doilea convertor costul circuitului driver este mai mare decât în primul caz.

Dezavantajul convertorului LM5119 îl reprezintă faptul că acesta are o durată mai mică de viață față de convertorul LM25576 pentru aceeași valoare a tensiunii de intrare.

CAPITOLUL 6

STUDIUL EXPERIMENTAL AL ILUMINANȚEI LA BECURI LED

Determinările experimentale au avut în vedere câteva tipuri de becuri LED –fig. 6.1.

Fig.6.1. Becuri LED supuse încercărilor

Iluminanța E (lx) la distanța de 1m este egală cu intensitatea luminoasă (candela) [12].

Candela este definită ca fiind intensitatea luminoasă într-o direcție dată, a unei surse care emite o radiație monocromatică cu frecvența de 540×1012 Hz și a cărei intensitate energetică, în această direcție este de 1/683 W/steradian.

Experimentarile au fost realizate cu ajutorul unui luxmetru plasat la anumite distanțe față de sursa LED de lumină. S-au determinat valori ale intensității luminoase în diferite puncte plasate în spatiu conform schiței din fig.6.2.

Utilizând luxmetrul am măsurat intensitatea luminoasă pe direcția sursei luminoase la anumite distanțe H din 30 cm în 30 cm. La fiecare distanță H s-au făcut măsurători în puncte plasate pe o direcție perpendiculară, lateral dreapta +L și stânga –L în puncte aflate la 30 cm, 60 cm și 90 cm.

Fig.6.2. Geometria bancului de testare

Rezultate pentru Spot LED 12 W

Fig.6.3. Imaginea sursei LED 12W

Tabelul 6.1. E (lx)

Reprezentarea grafică a rezultatelor este indicată în fig.6.4. Se observă că valorile cele mai mari se obțin în axa centrală a sursei LED și cât mai aproape de sursă.

Fig.6.4. Repartiția spațială a intensității luminoase la spot LED 12W

Repartiția spațială a intensității luminoase indicată în fișa tehnică a produsului este cea prezentată în tabelul 6.2 . Rezultatele sunt indicate pe direcția sursei de lumină.

Tabelul 6.2

Reprezentarea grafică realizată cu aceste valori în fig.6.5 arată o scadere accentuată a intensității luminoase în funcție de depărtarea de sursa LED.

Fig.6.5. Comparația rezultatelor la spot LED 12W

Apropierea valorilor obținute experimental de cele ale fabricantului – fig.6.5 – indică faptul că bancul de testare a fost corect realizat și experimentările au avut exactitatea necesară.

Valorile obținute arată ca spotul LED produce o iluminare în limite corecte până la distanța de 4 m.

Rezultate pentru Spot LED 16 W

In fig.6.6 sunt prezentate imagini ale acestei surse de lumină LED luate de la diferite distanțe.

Fig.6.6. Imaginea sursei de lumină Spot LED 16W

Experimentările au fost realizate după aceeași configurație spațială ca și la punctul anterior; rezultatele sunt prezentate în tabelul 6.3.

Tabelul 6.3

In fig.6.7 se prezintă grafic aceste rezultate.

Fig.6.7. Repartiția spațială a iluminării la Spot LED 16W

Se poate observa faptul că iluminarea este maximă pe direcția sursei și valorile sunt superioare față de cele obținute cu spotul LED de 12 W.

Bec LEB Bulb 12W

Fig.6.8. Imaginea sursei LED tip bulb

Determinările s-au realizat pentru aceeași configurație spațială și rezultatele sunt indicate în tabelul 6.4.

Tabelul 6.4

Fig.6.9. Iluminarea la bec LED bulb 12 W

Se observă o altă comportare față de becurile LED tip spot prezentate anterior. Iluminarea este net mai mică, în schimb distribuția laterală este mult mai bună.

Sursa compactă fluorescentă integrată 12 W

Pentru comparație s-au realizat măsurători asupra unui bec compact fluorescent cu puterea 12W. Măsurătorile au fost făcute după o perioada de aproximativ 30 secunde, după ce lumina s-a stabilizat. Imaginea sursei de lumina este prezentată în fig.6.10 , la scurt timp de la alimentarea lămpii și după stabilizarea iluminării.

Fig.6.10 Imaginea sursei de lumina bec compact fluorescent

Tabelul 6.5

Reprezentarea grafică a rezultatelor indică o apropiere față de rezultatele obținute pentru becul LED tip bulb – fig.6.11. Însă becul compact fluorescent are nevoie de timp lung pentru stabilizarea iluminării și prezintă fenomen de flicker accentuat.

Fig. 6.11.Distribuția spațială a iluminării

CAPITOLUL 7

CONCLUZII

Concluzii generale

Lucrarea abordează problematica complexă a noilor surse de iluminat bazate pe tehnologia LED din perspectiva identificării unor soluții tehnice care să sporească posibilitatea obținerii unor noi surse performante.

Studiul diferitelor soluții tehnice de realizare a surselor artificiale de lumină a permis, pe lângă definirea principiilor de funcționare, o analiză a parametrilor luminotehnici și o indicare a influenței acestora asupra calității energiei electrice din rețelele electrice de alimentare a iluminatului.

Pentru buna funcționare a surselor de lumină bazate pe LED o problemă importantă o reprezintă metodele de realizare a surselor de alimentare în curent continuu a LED-urilor. Circuitele liniare ridică probleme în utilizare din cauza randamentelor scăzute. Circuitele în comutație bazate pe tehnica PWM sunt cele mai performante ți ocupă un loc preponderent în realizarea structurilor LED actuale pentru iluminat.

Modelările realizate pentru driverul asociat șirului de LED-uri indică soluții utile de realizare a funcției de comandă a intensității curentului continuu prin LED și, implicit, a fluxului luminos. Se impune folosirea unor circuite care să asigure corectarea factorului de putere și filtrarea armonicilor astfel încât să se asigure încadrarea în prevederile normelor privitoare la calitatea energiei electrice din rețelele de joasă tensiune. Astfel, s-a realizat un suport teoretic pentru conceperea unor circuite specializate de comandă a curentului prin LED și de analiză a parametrilor de calitate a energiei electrice.

Dezvoltarea unor noi surse de lumină bazate pe tehnologia LED, de tipul celui realizat în această teză de doctorat, va permite obținerea unor surse de lumină cu durabilitate foarte mare, cu caracteristici luminotehnice corecte și cu un consum foarte redus de energie electrică în condițiile păstrării parametrilor de calitate ai energiei electrice.

Lucrarea de doctorat asigură o privire completă asupra noilor surse de lumină în tehnologie LED, aducând complementar soluții noi de măsurare și achiziție date și de analiză a parametrilor de calitate ai energiei în rețelele în care sunt implementate sursele de lumină.

Cercetările întreprinse de autor

Cercetările din cadrul temei de doctorat au fost axate pe studierea inițială a oportunității implementării surselor noi de lumină în rețelele de iluminat. S-a considerat că o idee de noutate ar putea fi adusă prin realizarea unei comparații între tipurile uzuale de surse de lumină ce se utilizează în mod frecvent în aplicații casnice, industriale și de iluminat public, în particular prin studierea modului de afectare de către aceste surse de lumină a calității energiei electrice din rețelele respective. S-a considerat, de asemenea, că un studiu privind caracterizarea surselor de lumină sub aspectul mărimilor radiometrice și a celor fotometrice asigură corecta înțelegere a fenomenelor și a constrângerilor la care trebuie să răspundă noile surse de lumină bazate pe LED-uri. Aceste studii dezvoltate de autor sunt cuprinse în primele trei capitole ale lucrării.

Obiectivul principal al Capitolului 4 a constat în prezentarea studiului aprofundat al tehnologiilor bazate pe folosirea LED-urilor. Studiul inițial al caracteristicilor LED-ului a permis obținerea unor informații tehnice privitoare la tipurile de diode ce pot fi utilizate cu succes în tehnica iluminatului. S-au studiat metodele de realizare a driverelor bazate pe circuite liniare și circuite în comutație PWM, cu sublinierea calităților și beneficiilor aduse de ultima categorie. În acest capitol, se prezintă o analiză experimentală a funcționării surselor LED cu drivere în comutație de tip step-down și step-up, analiză realizată cu suportul unei platforme de test Texas Instruments.

Obiectivul principal al Capitolului 5 a constat în prezentarea unor metode de proiectare pentru becuri LED cu soclu E27. S-a dezvoltat o metodologie de proiectare bazată pe obținerea unor caracteristici luminotehnice impuse pentru becuri de puteri nominale diferite. A fost proiectat și driverul în comutație care asigură curentul constant prin șirul de diode și s-au făcut simulări pentru optimizarea caracteristicilor tehnice ale circuitului de comandă a curentului. Pe baza elementelor de proiectare s-a realizat practic becul LED. Tot în acest capitol se prezintă un studiu privind proiectarea componentelor becului LED strâns legată de considerente economice. Modelarea este realizată cu un produs software TI.

Capitolul 6 conține dezvoltarea unor determinări experimentale privitoare la calitățile luminotehnice ale becurilor LED în comparație cu alte surse de lumină. S-a realizat un stand de măsurare ce asigură determinarea spațială a iluminanței.

Cercetările întreprinse de către autor privind noile surse de iluminat bazate pe folosirea LED-urilor au condus la următoarele rezultate:

→ realizarea unor standuri de măsurare cu aparate programabile pentru aplicații în domeniul analizei calității energiei electrice în rețelele cu diferite surse de lumină;

→realizarea unor proiecte pentru becuri LED cu soclu E27 și realizarea practică a acestui bec LED;

→studii privind fenomenele fizice specifice funcționării LED-ului și a posibilităților de utilizare ale LED-urilor pentru iluminat;

→studiul metodelor de realizare a driverelor utilizate pentru alimentarea sub curent constat a LED-urilor;

→studii pentru definirea parametrilor ce influențează caracteristicile luminotehnice ale becurilor LED;

→implementarea unui stand de măsurare a iluminanței becurilor.

Contribuții personale

Având în vedere cele de mai sus, pot afirma că în prezenta teză de doctorat contribuțiile personale s-au materializat în trei direcții importante:

♦ Conceptuale: studierea fenomenelor fizice specifice LED-urilor, analiza critică a modelelor propuse pentru drivere, studiul bazat pe modelare a realizării diferitelor structuri și evidențierea necesității unui stand specializat pentru analiza calității energiei electrice în rețelele cu aceste surse noi de lumină; realizarea sistemului de testare a funcționării LED-urilor cu driver PWM.

♦ Experimentale: realizarea arhitecturii unui sistem de determinare a iluminanței, testarea, proiectarea și experimentarea acestuia și folosirea sistemului la testarea becurilor; realizarea sistemului de analiză a parametrilor de calitate a energiei electrice.

♦ Tehnologice: extinderea conceptului de realizare a surselor LED cu noi soluții bazate pe microcontrolere.

Au fost urmărite și realizate următoarele deziderate, care sunt totodată contribuțiile originale în domeniu:

Elaborarea unui studiu amplu, pe baza parcurgerii unui important număr de referințe din literatura de specialitate, privind stadiul actual al sistemelor de iluminat cu punerea în evidență a avantajelor aduse de tehnologia LED. Toate aceste chestiuni teoretice și aplicative sunt studiate cu atenție mai ales în contextul actual de creștere explozivă a necesității introducerii acestor surse de lumină pe scară tot mai extinsă, fapt ce implică noi tipuri constructive bazate pe principii inovatoare.

Elaborarea unui studiu extins, prin parcurgerea unui însemnat număr de referințe bibliografice din literatura de specialitate, care s-a materializat într-un raport sintetic privind stadiul actual al tehnologiilor bazate pe LED.

Studierea și prezentarea tipurilor de LED-uri, a proceselor fizice care au loc în diodă, a construcției și tipurilor de diode ce emit lumină în diferite zone ale spectrului vizibil;

Elaborarea cadrului experimental pentru măsurătorile de tip luminotehnic asupra surselor de lumină și a parametrilor de calitate a energiei electrice

Descrierea detaliată a sistemelor de tip driver pentru comanda curentului prin LED și legătura cu fluxul luminos produs de diodă;

Proiectarea unui bec LED cu soclu E27, a driverului său, a ansamblului optic și realizarea efectivă a becului în colaborare cu o firmă din China, cu care colaborez de mai mulți ani în domeniul echipamentelor cu LED-uri;

Proiectarea componentelor sursei de lumină LED în concordanță cu aspectul economic;

Realizarea unei aplicații pentru studiul driverelor de tip step-up și step-down utilizate în structura sistemelor cu LED-uri;

Prelucrarea datele și elaborarea graficelor ce descriu dependența dintre unele mărimi

Electrice și luminotehnice;

Realizarea de modelări și simulări pentru aprecierea performanțelor și optimizarea circuitelor electronice specifice becului LED

Direcții viitoare de cercetare

Având în vedere complexitatea fenomenelor electrice și luminotehnice și a tehnologiilor de realizare a surselor LED, ca o direcție viitoare de cercetare intenționez să aprofundez domeniul modelării și simulării surselor LED precum și arhitectura acestora, în special prin prisma materialelor utilizate pentru realizarea diferitelor spectre de culoare.

Bibliografie

1. *** IEC61347 Part1, http://www.iecee.org/ctl/equipment/pdf/lite/IEC2202007_06.PDF
2. *** IEC61347 Part 2, section 13 http://www.iecee.org/ctl/equipment/pdf/lite/LITE_61347
3. M.Shulman, LED fire electrical Safety, UL 8750 safety standard for LED lighting,2009

4. *** IEC 61000-3-2 "Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-2"

http://epsma.org/pdf/PFC%20Guide_November%202010.pdf

5. *** LED Lighting Technologies and Potential for Near-Term Applications, Ecos Consulting, Portland, Oregon 97204, une 2003.

6. Moroldo D., Iluminatul urban. Aspecte fundamentale, soluții și calculul sistemelor de iluminat, Editura Matrix, București, 1999.

7. *** IEC 61000-3-6/2005 Assessment of harmonic emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems.

8. Bianchi C. ș.a., Sisteme de iluminat interior și exterior, Matrix Rom, București, 1998.

9. Bianchi C. ș.a., Sisteme de iluminat interior și exterior. Concepție. Calcul. Soluții, Editura Matrix, București, 1998.

10. *** Guide to the lighting of urban areas, Technical Report, CIE 136 – 2000.

11.*** Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic, Technical Report, CIE 115 – 1995.

12. Pop F. Ghidul centrului de ingineria iluminatului. Managementul energiei. Costurile

iluminatului, Editura Mediamira, Cluj Napoca, 2000.

13.***Normativ de proiectare, execuție “Iluminatul artificial pentru interiorul clădirilor”

Universitatea Tehnică de Construcții, București, 2002.

14. *** http//www.physorg.com

15. Golovanov N., Porumb R., Sisteme de iluminat electric cu LED-uri. Eficiență

energetică , EEA, vol 57, nr. 4, oct-dec 2009

16. Andrew Bryars , A guide to selecting power supplies for LED lighting applications,

EDN, October 03, 2014

17. ***Simulating HBLEDs for Driver Testing, Application Note, AMETEK,

www.programmablepower.com

18. *** Lighting Guide , Light + Building – 2014Arrow Electronics, Inc.Lighting,

lighting-europe.arrow.com

19. Penfold, R.A., Practical Opto Electronic Projects, Wiley, 1994

20. *** LED Lighting reference Design Cookbook, www.ti.com/powerreferencedesigns

21. Tulloch S, The Design and Use of LED reference Light Sources for Q.E. calibration,

RGO Techical Note 107, nov.1996

22. Craford, Holonyak & Kish, In Pursuit of the Ultimate Lamp, Scientific American 284,

Feb 2001

23. *** http://www.lrc.rpi.edu/programs/NLPIP/lightingAnswers/LED/packaged.asp

24. *** http://ledlight.osram-os.com/knowledge/led-fundamentals/electrical-characteristics

25. *** http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_8.html

26. Falin, J., Designing DC/DC converters based on SEPIC topology, Analog Applications

Journal, 4Q, 2008, www.ti.com/aaj

27. Bryars,A, A guide to selecting power supplies for LED lighting applications, EDN,

October, 2014

28. Nogawa, M, How to design LED matrix displays, EDN, august, 2014

29. M.-H. Kim, M. F. Schubert, Q. Dai, J. K. Kim, E. Fred Schubert, J. Piprek, Origin of

Efficiency Droop in GaN-Based Light-Emitting Diodes, APL 91 183507, 2007

30. Sofron, E, s.a., Optoelectronica, Ed. Matrixrom, bucuresti, 2010

31. Zissis, G., European Lighting Training and Engineering Network, FP6 European Network

of Excellence

32. KAG Smet, WR Ryckaert, MR Pointer, G Deconinck, P Hanselaer, Optimization of

colour quality of LED lighting with reference to memory colours Lighting Research and

Technology, March 2012; vol. 44, 1: pp. 7-15

33. T Komine, M Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system

using LED lights, Consumer Electronics, IEEE Transaction on, vol.50,Issue 1, pp.100-

107, 2004

34. S Pimputkar, JS Speck, SP DenBaars, S Nakamura, , Prospects for LED lighting,

Nature Photonics, 3, pp.180-182, 2009

35. N Narendran, Y Gu , Life of LED-based white light sources, Journal of Display

Technology, vol.1, Issue 1, 2005

36.HJ Chium YK Lom JT Chen, A high-efficiency dimmable LED driver for low-power

lighting applications, IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol.57, Issue 2, 2009

37. K Zhou, JG Zhang, S Yuvarajan, Quasi-active power factor correction circuit for HB LED

driver, Trans.on Power Electronics, vol.23, Issue 3, 2008

38. H Van der Broeck, G Sauerlander, Power driver topologies and control schemes for

LEDs, Applied Power Electronics Conference, APEC 2007, pp.1319-1325

39. Q Hu, R. Zane, LED driver circuit with series-input-connected converter cells operating in

continuous conduction mode, TEEE Trans. On Power Electronics, vol.25, Issue 3, 2010

40. S.Wang, X.Ruan, K.Yao, SC Tan, A flicker-free electrolytic capacitor-less-Ac-DC LED

driver, IEEE Trans.on Power Electronics, vol.27, issue 11, 2012

41. M.Day, LED Driver considerations, Analog Applications Journal, 2004

42. Grigorescu,S,D, Cepisca,C,Vlaicu,C,Oancea,D,Ghita,O,Trusca,B, Proiectarea și

simularea circuitelor electronice cu amplificatoare operaționale Ed.ICPE, București,2001

43. Cepisca,C, Calitatea energiei electrice, Editura Electra, 2007, Bucuresti

44. Argatu,C, Cepisca,C, Bardis,N,Seritan,G, Masurari si control utilizate in iluminatul public

Ed.Electra, Bucuresti, 2010

45. T. Macrea, D. Macrea, C.Cepisca, S. D. Grigorescu, H.Andrei, M. Morcovescu, Aspects

Concerning the Automation of the Mechanical Expansion Process for Large Welded

Pipes, Advances in Production, Automation and Transportation Systems,Proceedings of

the 6th International Conference on Manufacturing Engineering, Quality and

Production Systems (MEQAPS '13) , Brasov, pp.47-50 , WSEAS Press 2013

46. Argatu,F, Cepisca,C, Modeling Method for voltage-current characteristic of lamps,

Proceedings of 5h International Conference Metrology&Measurement Systems

METSIM 2009, Bucharest, Ed. Noua, pp.248-252

47. Cepisca,C, Seritan,G, s.a. , New equipments for acquisition data and control of street

Lightning, Proceedings of 5h International Conference Metrology&Measurement

Systems METSIM 2009, nov.2009, Bucharest, Ed. Noua, pp.228-232

48. Cepisca,C., Morcovescu, M., Seritan,G., Bardis, N., Grigorescu, S.D., Banica, C.,

Software Solution Implementation for Regional Balancing Mechanism of Electrical

Energy, 2012 International Conference on Sustainable Energy and Environmental

Engineering (ISEEE 2012) December 29~30, 2012, Guangzhou (China), Applied

Mechanics and Materials Vols. 291-294 (2013) pp 1308-1311, Online available at

www.scientific.net © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland

doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.291-294.1308 (ISI – WOS: 000320478400250)

49. Popa, M, Cepisca C, Energy consumption saving solutions based on intelligent street

lighting control system, U.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 73, Iss. 4, 2011,pp.297-308

50. *** Lighting Tehnologies, Principle and Measurement, Konica Minolta, Sensing

Americas,Inc.

51. Natu, O., Chavan, S, GSM based smart street light monitoring and control system,

Intl. Journal on Computer Science and Engineering, vol.5, no.3, 2016, pp.187

52. Deepak Kapgate, Wireless Streetlight Control System, International Journal of Computer

Applications (0975 – 8887) Volume 41, No.2, March 2012.

53. Costin Cepisca, Sabina Potlog, Sorin Dan Grigorescu, Marian Morcovescu, Some

constraints on the reuse of Li-ion batteries in Data Centers, Elektronika ir

elektrotechnika, ISSN 1392-1215, (in curs de publicare) (ISI)

54. Jitka Mohelnikova, Electric Energy Savings and Light Guides, Proceedings of the 3rd

IASME/WSEAS International Conference on Energy& Environment (EE'08),

Cambridge, UK, February 23-25, 2008, pp.470-474

55. M. Richards, D. Carter, Good lighting with less energy, Lighting Research and

Technology, 2009 41: 285

56. I. L. Guo, M. Eloholma, L. Halonen, Lighting control strategies for road lighting control systems, Journal of the Illuminating Engineering Society of North America (LEUKOS) vol. 4, no. 3, 2008.

57. Beu,D., Pop F., Tehnica iluminatului în spații industriale, Editura Mediamira, Cluj-

Napoca,2001.

58. Faranda,R, Fumagalli,K, A study on Daylighting for energy saving, 7th WSEAS International Conference on Application of Electrical Engineering (AEE’08), Trondheim, Norway, July 2-4, 2008

59. N.Y.A. Shammas, S., Eio, D., Chamund, Semiconductor Devices and Their Use in Power Electronic Applications, WSEAS TRANSACTIONS on POWER SYSTEMS, Issue 4, Volume 3, Aprilie 2008.

60. *** Dimm Light, ISLE and KD Electroniksysteme GmbH, 2008

61. Robert S. Simpson, Lighting control-technology and applications, Focal Press, 2003

62. Tetri, E., Halonen L. Future trends of energy efficient lighting, Proceedings of the 26th session of the CIE, Beijing, China, 4-11 July 2007. pp. 45-48.

63. Ionel Urdea Marcus, Costin Cepișcă, Marian Morcovescu, On the influence of network impedance on flicker measurements, U.P.B. Sci. Bull, Bucharest, (în curs de publicare)

64. Dragomir Radu Bogdan, Dragomir Radu, Photometric measurements and optical

simulation for LED cluster, EE&AE 2013, Bulgaria

65.*** Optica – teorie, http://www.scritube.com/diverse/Optica-teorie64533.php

66. Roberto Faranda, Stefania Guzzetti, Cristian Lazaroiu, LEDs Lighting: Two case studies,

UPB Sci. Bull.,Series C, Vol. 73, Iss. 1, 2011

67. HoSung Lee, Thermal design: heat sink, thermoelectrics, heat pipes, compact heat

exchangers and solar cells, Wiley 2011

68.*** SR EN 62031, Module LED pentru iluminat general. Specificatii de securitate,

ASRO Ianuarie 2009

69. *** http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electrotehhnica/laboratoare-protectia muncii

70. *** SR EN 62384 CEI 62384, Aparataj electronic alimentat in curent continuu sau in

curent alternativ pentru module LED . Prescripții de performanță, ASRO Aprilie 2007.

71.*** Sisteme moderne de iluminare bazate pe diode LED,UPB, 2010,

http://www.iluminare-led.ro/Sisteme_de_iluminat_cu_leduri.pdf

72. *** European Commission GREEN PAPER, ‘Lighting the Future Accelerating the

deployment of innovative lighting technologies’, Brussels 15.12.2011 COM 2011

73. Larimore, B, LED Lighting and DC/DC Conversion Control integrated on one C2000

microcontroller, TI\controlSUITE\development_kits\Lighting_DCDC_vX.X

74. *** Regulamentul (CE) nr. 245/2009 al Comisiei din 18 martie 2009 de implementare a Directivei 2005/32/CE a Parlamentului European și a Consiliului în ceea ce privește cerințele de proiectare ecologică aplicabile lămpilor fluorescente fără balast încorporat, lămpilor cu descărcare de intensitate ridicată, precum și balasturilor și corpurilor de iluminat compatibile cu aceste lămpi, și de abrogare a Directivei 2000/55/CE a Parlamentului European și a Consiliului.

ANEXA 1

Definiții

REGULAMENTUL (UE) NR. 1194/2012 de punere în aplicare a Directivei 2009/125/CE a Parlamentului European și a Consiliului în ceea ce privește cerințele de proiectare ecologica pentru lămpile direcționale, lămpile cu diode electroluminiscente și echipamentele aferente

„iluminat” înseamnă direcționarea unei lumini asupra unei suprafețe, a unui obiect sau asupra spațiului din jurul acestora, astfel încât acestea să poată fi văzute de oameni;

„sursă de lumină” înseamnă o suprafață sau un obiect destinat să emită în principal radiații optice vizibile produse printr-o transformare a energiei. Termenul „vizibil” se referă la o lungime de undă de 380-780 nm;

„lampă” înseamnă o unitate a cărei performanță poate fi evaluată independent și care cuprinde una sau mai multe surse de lumină. Aceasta mai poate conține componente suplimentare necesare pornirii, alimentării cu energie sau funcționării stabile a unității sau pentru distribuirea, filtrarea sau transformarea radiațiilor optice, în cazul în care aceste componente nu pot fi îndepărtate fără a deteriora iremediabil unitatea;

„soclul lămpii” înseamnă acea parte a lămpii care asigură conectarea la alimentarea cu energie electrică prin intermediul unui fasung al lămpii sau al unei dulii și care poate servi și la fixarea lămpii în dulie;

„fasungul lămpii” sau „dulia” înseamnă un dispozitiv care fixează lampa într-o anumită poziție, de obicei cu ajutorul unui soclu aflat în interiorul acestuia, caz în care acesta asigură și alimentarea cu energie electrică a lămpii;

„lampă direcțională” înseamnă o lampă în cazul căreia cel puțin 80 % din fluxul luminos este emis într-un unghi solid de π sr (corespunzător unui con cu un unghi la vârf de 120°);

„lampă cu filament” înseamnă o lampă în care lumina este produsă cu ajutorul unui conductor filiform încălzit până la incandescență la trecerea unui curent electric. Lampa poate să conțină gaze care influențează procesul de incandescență;

„lampă cu incandescență” înseamnă o lampă cu filament în care filamentul funcționează într-un bec vid sau este înconjurat de un gaz inert;

„lampă cu halogen (tungsten)” înseamnă o lampă al cărei filament este din tungsten și este înconjurat de un gaz care conține halogeni sau compuși halogenați; aceasta poate fi prevăzută cu o alimentare integrată cu energie;

„lampă cu descărcare” înseamnă o lampă în care lumina este produsă, direct sau indirect, cu ajutorul unei descărcări electrice prin intermediul unui gaz, vapor de metal sau al unui amestec de mai multe gaze și vapori;

„lampă fluorescentă” înseamnă o lampă cu descărcare de tipul celor cu vapori de mercur de joasă presiune, în care cea mai mare parte a luminii este emisă de unul sau mai multe straturi de substanțe luminiscente excitate de radiațiile ultraviolete cauzate de descărcare. Lămpile fluorescente pot fi prevăzute cu un balast încorporat;

„lampă fluorescentă fără balast încorporat” înseamnă o lampă fluorescentă cu un singur soclu sau cu socluri la ambele capete fără balast încorporat;

„diodă emițătoare de lumină (LED)” înseamnă o sursă de lumină care conține un dispozitiv în stare solidă prevăzut cu o joncțiune p-n din material anorganic. Joncțiunea emite o radiație optică în cazul excitării cu un curent electric;

„pachet LED” înseamnă un ansamblu care are unul sau mai multe LED-uri. Ansamblul poate include un element optic și interfețe termice, mecanice și electrice;

„modul cu LED-uri” înseamnă un ansamblu care nu are niciun soclu și care conține unul sau mai multe pachete LED pe o placă de circuit imprimat. Ansamblul poate conține componente electrice, optice, mecanice și termice, precum și interfețe și dispozitive de comandă;

„lampă cu LED-uri” înseamnă o lampă care conține una sau mai multe module cu LED-uri. Lampa poate fi prevăzută cu un soclu;

„dispozitiv de comandă pentru lămpi” înseamnă un dispozitiv situat între alimentarea cu energie electrică și una sau mai multe lămpi, care oferă o funcționalitate legată de funcționarea lămpii (lămpilor), cum ar fi transformarea tensiunii de alimentare, limitarea curentului lămpii (lămpilor) la valoarea cerută, furnizarea tensiunii de pornire și a curentului de preîncălzire, împiedicarea demarării la rece, corectarea factorului de putere sau reducerea interferențelor radio. Dispozitivul poate fi conceput pentru a fi conectat la alte dispozitive de comandă pentru lămpi cu scopul de a îndeplini aceste funcții;

„dispozitiv de control” înseamnă un dispozitiv electronic sau mecanic de control sau de monitorizare a fluxului luminos al lămpii prin alte mijloace decât conversia energiei, cum ar fi comutatoarele, senzorii de ocupare, senzorii de lumină și dispozitivele de reglare a luminii zilei. În plus, variatoarele de intensitate sunt considerate, de asemenea, dispozitive de control;

„dispozitiv extern de comandă pentru lămpi” înseamnă un dispozitiv de comandă pentru lămpi neintegrat destinat să fie instalat în exteriorul carcasei unei lămpi sau a corpului de iluminat sau pentru a fi scos din carcasă, fără a deteriora iremediabil lampa sau corpul de iluminat;

„balast” înseamnă un dispozitiv de comandă pentru lămpi poziționat între sursa de alimentare și una sau mai multe lămpi cu descărcare care, prin mijloace de inductanță, capacitate sau o combinație de inductanță și capacitate electrică, servește în principal la limitarea curentului lămpii (lămpilor) la valoarea cerută;

„dispozitiv de comandă pentru lămpi cu halogen” înseamnă un dispozitiv de comandă a lămpii care transformă o tensiune ridicată într-una foarte joasă în cazul lămpilor cu halogen;

„lampă fluorescentă compactă” înseamnă o lampă fluorescentă care include toate componentele necesare pornirii și funcționării lămpii în condiții de stabilitate;

„corp de iluminat” înseamnă un aparat care distribuie, filtrează sau transformă lumina transmisă de la una sau mai multe lămpi și care include toate componentele necesare pentru susținerea, fixarea și protejarea lămpilor și, în cazul în care este necesar, circuitele auxiliare împreună cu mijloacele pentru conectarea acestora la sursa de energie;

„flux luminos” (Φ) reprezintă cantitatea derivată din fluxul radiant (putere radiantă) în urma evaluării radiației în conformitate cu sensibilitatea spectrală a ochiului uman. Fără alte specificații, acesta se referă la fluxul luminos inițial;

„flux luminos inițial” înseamnă fluxul luminos al unei lămpi după o scurtă perioadă de funcționare;

„flux luminos util” (Φutil ) înseamnă partea din fluxul luminos al unei lămpi care cade în interiorul conului utilizat pentru calcularea eficienței energetice a lămpii;

„intensitate luminoasă (candela sau cd)” înseamnă raportul dintre fluxul luminos la părăsirea sursei și propagat în elementul de unghi solid care conține direcția dată de către elementul de unghi solid;

„unghiul fasciculului” înseamnă unghiul dintre două linii imaginare într-un plan care trec prin axa fasciculului optic, astfel încât aceste linii trec prin centrul părții frontale a lămpii și prin punctele în care intensitatea luminoasă reprezintă 50 % din intensitatea fasciculului central, unde intensitatea fasciculului central este valoarea intensității luminoase măsurată pe axa fasciculului optic;

„cromaticitate” reprezintă proprietatea unui stimul de culoare definit prin coordonatele sale de cromaticitate sau prin lungimea sa de undă dominantă sau complementară și puritate, luate împreună;

„temperatura de culoare corelată” (Tc [K]) reprezintă temperatura radiatorului planckian (corpul negru radiant), a cărui culoare percepută se apropie cel mai mult, în condiții de observare precizate, de cea a unui stimul având aceeași strălucire;

„redarea culorii” (Ra) reprezintă efectul unei surse de lumină asupra aspectului cromatic al obiectelor comparat, în mod conștient sau nu, cu aspectul lor cromatic în prezența unei surse de lumină de referință;

„coerența culorii” înseamnă abaterea maximă a coordonatelor de cromaticitate (x și y) ale unei singure lămpi față de un punct central de cromaticitate (cx și cy), exprimată ca dimensiunea (în trepte) elipsei MacAdam formată în jurul punctului central de cromaticitate (cx și cy);

„factor de menținere a fluxului luminos al lămpii” (lamp lumen maintenance factor – LLMF) reprezintă raportul dintre fluxul luminos emis de lampă la un moment dat și fluxul luminos inițial;

„factor de supraviețuire a lămpii” (lamp survival factor – LSF) reprezintă partea din numărul total de lămpi ce continuă să funcționeze la un moment dat în condiții și cu o frecvență de comutare definite;

„durata de viață a lămpii” înseamnă perioada de funcționare ulterior căreia partea din numărul total de lămpi care continuă să funcționeze corespunde factorului de supraviețuire a lămpii, în condiții și cu o frecvență de comutare definite. În cazul lămpilor cu LED-uri, viața lămpii înseamnă timpul de funcționare dintre începutul utilizării lor și momentul în care numai 50 % din numărul total de lămpi supraviețuiesc sau atunci când conservarea fluxului luminos mediu al lotului este mai mică de 70 %, indiferent care dintre aceste două fenomene apare mai întâi;

„timp de amorsare a lămpii” reprezintă timpul necesar, după punerea sub tensiune de alimentare, pentru ca lampa să pornească și să rămână aprinsă;

„timp de încălzire a lămpii” înseamnă timpul necesar de la pornire pentru ca lampa să emită o proporție definită din fluxul său luminos stabilizat;

„factor de putere” reprezintă raportul dintre valoarea absolută a puterii active și puterea aparentă în condiții periodice;

„valoare specificată” înseamnă valoarea cantitativă, utilizată în vederea specificării, stabilită pentru un set specific de condiții de funcționare a unui produs. Cu excepția unei prevederi contrare, toate cerințele se exprimă în valori specificate;

„valoare nominală” înseamnă o valoare cantitativă utilizată pentru a desemna și identifica un produs;

ANEXA 2

Transferul de căldură la corpurile de iluminat cu LED

Transferul de căldură de la joncțiune la placa suport, de la placa suport la radiator și de la radiator la mediul ambiant se face, în cea mai mare măsură, prin convecție. Transferul de căldură prin placa suport și prin radiator se face prin conducție.

►Transmisia prin conducție termică :

Cantitatea de căldură Q transmisă prin conducție termică prin suprafața de arie As pe un interval de timp t :

unde fluxul termic specific pd în regim stabilizat, pentru placa suport se determină din relația:

unde: Ts1 este temperatura pe fața interioară a suportului, Ts2 temperatura pe partea exterioară a suportului metalic, iar gs grosimea stratului suport.

Fig.A. Transferul termic în structura cu radiator (a) și schema termică echivalentă(b).

Procesului de transfer termic prin conducție i se poate atașa, într-o schemă de calcul, rezistențe termice.

prin placa suport

între joncțiune și placa suport:

între placa suport și radiator:

în care sr este transmisivitatea termică dintre placa suport și radiator, iar Asr aria suprafeței de transfer termic dintre placa suport și radiator.

în radiator:

în care r este conductivitatea termică a radiatorului, gr grosimea radiatorului, Ar aria suprafeței de transfer termic prin radiator.

► Transferului termic prin convecție, între radiator și mediul înconjurător, i se poate atașa rezistența termică R0 având expresia:

Transmisivitatea termică 0 depinde, în primul rând, de regimul de răcire al elementului radiator (răcire naturală, răcire forțată), de caracteristicile fluidului de răcire (aer), regimul de curgere (laminar sau turbulent), forma și dimensiunile suprafeței de contact cu mediul ambiant.

► Schema serie permite calculul rezistenței termice echivalente:

Fiind cunoscută temperatura maximă a joncțiunii Tjmax (în mod obișnuit Tjmax = 125C) și temperatura maximă a mediului ambiant T0max (se poate considera T0max= 30C) se stabilește puterea termică maximă Pdmax ce poate fi transferată spre exterior:

Puterea transformată în lumină depinde de eficiența luminoasă [lm/W] a structurii LED. Dacă se are în vedere că transformarea ideală a puterii electrice în flux luminos determină o eficiență luminoasă de 683 lm/W rezultă că puterea dezvoltată sub formă de căldură poate fi determinată din relația:

unde s-a notat cu Uj tensiunea la bornele structurii LED, iar Ij este curentul electric ce parcurge structura.

► Schimbul de căldură prin convecție, dintre radiator și mediul ambiant, este descris de ecuații diferențiale care iau în considerație fenomenele de conducție termică în materiale, mișcarea fluidului care preia căldura, condiții de continuitate pe suprafața de separație etc.

Dimensionarea radiatorului se face pe baza unor relații criteriale din care rezultă transmisivitatea termică: unde f este conductivitatea termică a fluidului de răcire (aer), L lungimea pe care are loc schimbul de căldură, iar numărul Nusselt Nu depinde în mare măsură de forma radiatorului. În cazurile practice, pentru configurații uzuale, sunt utilizate relații empirice:

schimb de căldură între un perete vertical și aer, cu circulație naturală:

schimb de căldură între un perete orizontal și aer, cu circulație naturală

ANEXA 3

Bibliografie

1. *** IEC61347 Part1, http://www.iecee.org/ctl/equipment/pdf/lite/IEC2202007_06.PDF
2. *** IEC61347 Part 2, section 13 http://www.iecee.org/ctl/equipment/pdf/lite/LITE_61347
3. M.Shulman, LED fire electrical Safety, UL 8750 safety standard for LED lighting,2009

4. *** IEC 61000-3-2 "Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3-2"

http://epsma.org/pdf/PFC%20Guide_November%202010.pdf

5. *** LED Lighting Technologies and Potential for Near-Term Applications, Ecos Consulting, Portland, Oregon 97204, une 2003.

6. Moroldo D., Iluminatul urban. Aspecte fundamentale, soluții și calculul sistemelor de iluminat, Editura Matrix, București, 1999.

7. *** IEC 61000-3-6/2005 Assessment of harmonic emission limits for the connection of distorting installations to MV, HV and EHV power systems.

8. Bianchi C. ș.a., Sisteme de iluminat interior și exterior, Matrix Rom, București, 1998.

9. Bianchi C. ș.a., Sisteme de iluminat interior și exterior. Concepție. Calcul. Soluții, Editura Matrix, București, 1998.

10. *** Guide to the lighting of urban areas, Technical Report, CIE 136 – 2000.

11.*** Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian traffic, Technical Report, CIE 115 – 1995.

12. Pop F. Ghidul centrului de ingineria iluminatului. Managementul energiei. Costurile

iluminatului, Editura Mediamira, Cluj Napoca, 2000.

13.***Normativ de proiectare, execuție “Iluminatul artificial pentru interiorul clădirilor”

Universitatea Tehnică de Construcții, București, 2002.

14. *** http//www.physorg.com

15. Golovanov N., Porumb R., Sisteme de iluminat electric cu LED-uri. Eficiență

energetică , EEA, vol 57, nr. 4, oct-dec 2009

16. Andrew Bryars , A guide to selecting power supplies for LED lighting applications,

EDN, October 03, 2014

17. ***Simulating HBLEDs for Driver Testing, Application Note, AMETEK,

www.programmablepower.com

18. *** Lighting Guide , Light + Building – 2014Arrow Electronics, Inc.Lighting,

lighting-europe.arrow.com

19. Penfold, R.A., Practical Opto Electronic Projects, Wiley, 1994

20. *** LED Lighting reference Design Cookbook, www.ti.com/powerreferencedesigns

21. Tulloch S, The Design and Use of LED reference Light Sources for Q.E. calibration,

RGO Techical Note 107, nov.1996

22. Craford, Holonyak & Kish, In Pursuit of the Ultimate Lamp, Scientific American 284,

Feb 2001

23. *** http://www.lrc.rpi.edu/programs/NLPIP/lightingAnswers/LED/packaged.asp

24. *** http://ledlight.osram-os.com/knowledge/led-fundamentals/electrical-characteristics

25. *** http://www.electronics-tutorials.ws/diode/diode_8.html

26. Falin, J., Designing DC/DC converters based on SEPIC topology, Analog Applications

Journal, 4Q, 2008, www.ti.com/aaj

27. Bryars,A, A guide to selecting power supplies for LED lighting applications, EDN,

October, 2014

28. Nogawa, M, How to design LED matrix displays, EDN, august, 2014

29. M.-H. Kim, M. F. Schubert, Q. Dai, J. K. Kim, E. Fred Schubert, J. Piprek, Origin of

Efficiency Droop in GaN-Based Light-Emitting Diodes, APL 91 183507, 2007

30. Sofron, E, s.a., Optoelectronica, Ed. Matrixrom, bucuresti, 2010

31. Zissis, G., European Lighting Training and Engineering Network, FP6 European Network

of Excellence

32. KAG Smet, WR Ryckaert, MR Pointer, G Deconinck, P Hanselaer, Optimization of

colour quality of LED lighting with reference to memory colours Lighting Research and

Technology, March 2012; vol. 44, 1: pp. 7-15

33. T Komine, M Nakagawa, Fundamental analysis for visible-light communication system

using LED lights, Consumer Electronics, IEEE Transaction on, vol.50,Issue 1, pp.100-

107, 2004

34. S Pimputkar, JS Speck, SP DenBaars, S Nakamura, , Prospects for LED lighting,

Nature Photonics, 3, pp.180-182, 2009

35. N Narendran, Y Gu , Life of LED-based white light sources, Journal of Display

Technology, vol.1, Issue 1, 2005

36.HJ Chium YK Lom JT Chen, A high-efficiency dimmable LED driver for low-power

lighting applications, IEEE Trans. On Industrial Electronics, Vol.57, Issue 2, 2009

37. K Zhou, JG Zhang, S Yuvarajan, Quasi-active power factor correction circuit for HB LED

driver, Trans.on Power Electronics, vol.23, Issue 3, 2008

38. H Van der Broeck, G Sauerlander, Power driver topologies and control schemes for

LEDs, Applied Power Electronics Conference, APEC 2007, pp.1319-1325

39. Q Hu, R. Zane, LED driver circuit with series-input-connected converter cells operating in

continuous conduction mode, TEEE Trans. On Power Electronics, vol.25, Issue 3, 2010

40. S.Wang, X.Ruan, K.Yao, SC Tan, A flicker-free electrolytic capacitor-less-Ac-DC LED

driver, IEEE Trans.on Power Electronics, vol.27, issue 11, 2012

41. M.Day, LED Driver considerations, Analog Applications Journal, 2004

42. Grigorescu,S,D, Cepisca,C,Vlaicu,C,Oancea,D,Ghita,O,Trusca,B, Proiectarea și

simularea circuitelor electronice cu amplificatoare operaționale Ed.ICPE, București,2001

43. Cepisca,C, Calitatea energiei electrice, Editura Electra, 2007, Bucuresti

44. Argatu,C, Cepisca,C, Bardis,N,Seritan,G, Masurari si control utilizate in iluminatul public

Ed.Electra, Bucuresti, 2010

45. T. Macrea, D. Macrea, C.Cepisca, S. D. Grigorescu, H.Andrei, M. Morcovescu, Aspects

Concerning the Automation of the Mechanical Expansion Process for Large Welded

Pipes, Advances in Production, Automation and Transportation Systems,Proceedings of

the 6th International Conference on Manufacturing Engineering, Quality and

Production Systems (MEQAPS '13) , Brasov, pp.47-50 , WSEAS Press 2013

46. Argatu,F, Cepisca,C, Modeling Method for voltage-current characteristic of lamps,

Proceedings of 5h International Conference Metrology&Measurement Systems

METSIM 2009, Bucharest, Ed. Noua, pp.248-252

47. Cepisca,C, Seritan,G, s.a. , New equipments for acquisition data and control of street

Lightning, Proceedings of 5h International Conference Metrology&Measurement

Systems METSIM 2009, nov.2009, Bucharest, Ed. Noua, pp.228-232

48. Cepisca,C., Morcovescu, M., Seritan,G., Bardis, N., Grigorescu, S.D., Banica, C.,

Software Solution Implementation for Regional Balancing Mechanism of Electrical

Energy, 2012 International Conference on Sustainable Energy and Environmental

Engineering (ISEEE 2012) December 29~30, 2012, Guangzhou (China), Applied

Mechanics and Materials Vols. 291-294 (2013) pp 1308-1311, Online available at

www.scientific.net © (2013) Trans Tech Publications, Switzerland

doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.291-294.1308 (ISI – WOS: 000320478400250)

49. Popa, M, Cepisca C, Energy consumption saving solutions based on intelligent street

lighting control system, U.P.B. Sci. Bull., Series C, Vol. 73, Iss. 4, 2011,pp.297-308

50. *** Lighting Tehnologies, Principle and Measurement, Konica Minolta, Sensing

Americas,Inc.

51. Natu, O., Chavan, S, GSM based smart street light monitoring and control system,

Intl. Journal on Computer Science and Engineering, vol.5, no.3, 2016, pp.187

52. Deepak Kapgate, Wireless Streetlight Control System, International Journal of Computer

Applications (0975 – 8887) Volume 41, No.2, March 2012.

53. Costin Cepisca, Sabina Potlog, Sorin Dan Grigorescu, Marian Morcovescu, Some

constraints on the reuse of Li-ion batteries in Data Centers, Elektronika ir

elektrotechnika, ISSN 1392-1215, (in curs de publicare) (ISI)

54. Jitka Mohelnikova, Electric Energy Savings and Light Guides, Proceedings of the 3rd

IASME/WSEAS International Conference on Energy& Environment (EE'08),

Cambridge, UK, February 23-25, 2008, pp.470-474

55. M. Richards, D. Carter, Good lighting with less energy, Lighting Research and

Technology, 2009 41: 285

56. I. L. Guo, M. Eloholma, L. Halonen, Lighting control strategies for road lighting control systems, Journal of the Illuminating Engineering Society of North America (LEUKOS) vol. 4, no. 3, 2008.

57. Beu,D., Pop F., Tehnica iluminatului în spații industriale, Editura Mediamira, Cluj-

Napoca,2001.

58. Faranda,R, Fumagalli,K, A study on Daylighting for energy saving, 7th WSEAS International Conference on Application of Electrical Engineering (AEE’08), Trondheim, Norway, July 2-4, 2008

59. N.Y.A. Shammas, S., Eio, D., Chamund, Semiconductor Devices and Their Use in Power Electronic Applications, WSEAS TRANSACTIONS on POWER SYSTEMS, Issue 4, Volume 3, Aprilie 2008.

60. *** Dimm Light, ISLE and KD Electroniksysteme GmbH, 2008

61. Robert S. Simpson, Lighting control-technology and applications, Focal Press, 2003

62. Tetri, E., Halonen L. Future trends of energy efficient lighting, Proceedings of the 26th session of the CIE, Beijing, China, 4-11 July 2007. pp. 45-48.

63. Ionel Urdea Marcus, Costin Cepișcă, Marian Morcovescu, On the influence of network impedance on flicker measurements, U.P.B. Sci. Bull, Bucharest, (în curs de publicare)

64. Dragomir Radu Bogdan, Dragomir Radu, Photometric measurements and optical

simulation for LED cluster, EE&AE 2013, Bulgaria

65.*** Optica – teorie, http://www.scritube.com/diverse/Optica-teorie64533.php

66. Roberto Faranda, Stefania Guzzetti, Cristian Lazaroiu, LEDs Lighting: Two case studies,

UPB Sci. Bull.,Series C, Vol. 73, Iss. 1, 2011

67. HoSung Lee, Thermal design: heat sink, thermoelectrics, heat pipes, compact heat

exchangers and solar cells, Wiley 2011

68.*** SR EN 62031, Module LED pentru iluminat general. Specificatii de securitate,

ASRO Ianuarie 2009

69. *** http://biblioteca.regielive.ro/laboratoare/electrotehhnica/laboratoare-protectia muncii

70. *** SR EN 62384 CEI 62384, Aparataj electronic alimentat in curent continuu sau in

curent alternativ pentru module LED . Prescripții de performanță, ASRO Aprilie 2007.

71.*** Sisteme moderne de iluminare bazate pe diode LED,UPB, 2010,

http://www.iluminare-led.ro/Sisteme_de_iluminat_cu_leduri.pdf

72. *** European Commission GREEN PAPER, ‘Lighting the Future Accelerating the

deployment of innovative lighting technologies’, Brussels 15.12.2011 COM 2011

73. Larimore, B, LED Lighting and DC/DC Conversion Control integrated on one C2000

microcontroller, TI\controlSUITE\development_kits\Lighting_DCDC_vX.X

74. *** Regulamentul (CE) nr. 245/2009 al Comisiei din 18 martie 2009 de implementare a Directivei 2005/32/CE a Parlamentului European și a Consiliului în ceea ce privește cerințele de proiectare ecologică aplicabile lămpilor fluorescente fără balast încorporat, lămpilor cu descărcare de intensitate ridicată, precum și balasturilor și corpurilor de iluminat compatibile cu aceste lămpi, și de abrogare a Directivei 2000/55/CE a Parlamentului European și a Consiliului.

ANEXA 1

Definiții

REGULAMENTUL (UE) NR. 1194/2012 de punere în aplicare a Directivei 2009/125/CE a Parlamentului European și a Consiliului în ceea ce privește cerințele de proiectare ecologica pentru lămpile direcționale, lămpile cu diode electroluminiscente și echipamentele aferente

„iluminat” înseamnă direcționarea unei lumini asupra unei suprafețe, a unui obiect sau asupra spațiului din jurul acestora, astfel încât acestea să poată fi văzute de oameni;

„sursă de lumină” înseamnă o suprafață sau un obiect destinat să emită în principal radiații optice vizibile produse printr-o transformare a energiei. Termenul „vizibil” se referă la o lungime de undă de 380-780 nm;

„lampă” înseamnă o unitate a cărei performanță poate fi evaluată independent și care cuprinde una sau mai multe surse de lumină. Aceasta mai poate conține componente suplimentare necesare pornirii, alimentării cu energie sau funcționării stabile a unității sau pentru distribuirea, filtrarea sau transformarea radiațiilor optice, în cazul în care aceste componente nu pot fi îndepărtate fără a deteriora iremediabil unitatea;

„soclul lămpii” înseamnă acea parte a lămpii care asigură conectarea la alimentarea cu energie electrică prin intermediul unui fasung al lămpii sau al unei dulii și care poate servi și la fixarea lămpii în dulie;

„fasungul lămpii” sau „dulia” înseamnă un dispozitiv care fixează lampa într-o anumită poziție, de obicei cu ajutorul unui soclu aflat în interiorul acestuia, caz în care acesta asigură și alimentarea cu energie electrică a lămpii;

„lampă direcțională” înseamnă o lampă în cazul căreia cel puțin 80 % din fluxul luminos este emis într-un unghi solid de π sr (corespunzător unui con cu un unghi la vârf de 120°);

„lampă cu filament” înseamnă o lampă în care lumina este produsă cu ajutorul unui conductor filiform încălzit până la incandescență la trecerea unui curent electric. Lampa poate să conțină gaze care influențează procesul de incandescență;

„lampă cu incandescență” înseamnă o lampă cu filament în care filamentul funcționează într-un bec vid sau este înconjurat de un gaz inert;

„lampă cu halogen (tungsten)” înseamnă o lampă al cărei filament este din tungsten și este înconjurat de un gaz care conține halogeni sau compuși halogenați; aceasta poate fi prevăzută cu o alimentare integrată cu energie;

„lampă cu descărcare” înseamnă o lampă în care lumina este produsă, direct sau indirect, cu ajutorul unei descărcări electrice prin intermediul unui gaz, vapor de metal sau al unui amestec de mai multe gaze și vapori;

„lampă fluorescentă” înseamnă o lampă cu descărcare de tipul celor cu vapori de mercur de joasă presiune, în care cea mai mare parte a luminii este emisă de unul sau mai multe straturi de substanțe luminiscente excitate de radiațiile ultraviolete cauzate de descărcare. Lămpile fluorescente pot fi prevăzute cu un balast încorporat;

„lampă fluorescentă fără balast încorporat” înseamnă o lampă fluorescentă cu un singur soclu sau cu socluri la ambele capete fără balast încorporat;

„diodă emițătoare de lumină (LED)” înseamnă o sursă de lumină care conține un dispozitiv în stare solidă prevăzut cu o joncțiune p-n din material anorganic. Joncțiunea emite o radiație optică în cazul excitării cu un curent electric;

„pachet LED” înseamnă un ansamblu care are unul sau mai multe LED-uri. Ansamblul poate include un element optic și interfețe termice, mecanice și electrice;

„modul cu LED-uri” înseamnă un ansamblu care nu are niciun soclu și care conține unul sau mai multe pachete LED pe o placă de circuit imprimat. Ansamblul poate conține componente electrice, optice, mecanice și termice, precum și interfețe și dispozitive de comandă;

„lampă cu LED-uri” înseamnă o lampă care conține una sau mai multe module cu LED-uri. Lampa poate fi prevăzută cu un soclu;

„dispozitiv de comandă pentru lămpi” înseamnă un dispozitiv situat între alimentarea cu energie electrică și una sau mai multe lămpi, care oferă o funcționalitate legată de funcționarea lămpii (lămpilor), cum ar fi transformarea tensiunii de alimentare, limitarea curentului lămpii (lămpilor) la valoarea cerută, furnizarea tensiunii de pornire și a curentului de preîncălzire, împiedicarea demarării la rece, corectarea factorului de putere sau reducerea interferențelor radio. Dispozitivul poate fi conceput pentru a fi conectat la alte dispozitive de comandă pentru lămpi cu scopul de a îndeplini aceste funcții;

„dispozitiv de control” înseamnă un dispozitiv electronic sau mecanic de control sau de monitorizare a fluxului luminos al lămpii prin alte mijloace decât conversia energiei, cum ar fi comutatoarele, senzorii de ocupare, senzorii de lumină și dispozitivele de reglare a luminii zilei. În plus, variatoarele de intensitate sunt considerate, de asemenea, dispozitive de control;

„dispozitiv extern de comandă pentru lămpi” înseamnă un dispozitiv de comandă pentru lămpi neintegrat destinat să fie instalat în exteriorul carcasei unei lămpi sau a corpului de iluminat sau pentru a fi scos din carcasă, fără a deteriora iremediabil lampa sau corpul de iluminat;

„balast” înseamnă un dispozitiv de comandă pentru lămpi poziționat între sursa de alimentare și una sau mai multe lămpi cu descărcare care, prin mijloace de inductanță, capacitate sau o combinație de inductanță și capacitate electrică, servește în principal la limitarea curentului lămpii (lămpilor) la valoarea cerută;

„dispozitiv de comandă pentru lămpi cu halogen” înseamnă un dispozitiv de comandă a lămpii care transformă o tensiune ridicată într-una foarte joasă în cazul lămpilor cu halogen;

„lampă fluorescentă compactă” înseamnă o lampă fluorescentă care include toate componentele necesare pornirii și funcționării lămpii în condiții de stabilitate;

„corp de iluminat” înseamnă un aparat care distribuie, filtrează sau transformă lumina transmisă de la una sau mai multe lămpi și care include toate componentele necesare pentru susținerea, fixarea și protejarea lămpilor și, în cazul în care este necesar, circuitele auxiliare împreună cu mijloacele pentru conectarea acestora la sursa de energie;

„flux luminos” (Φ) reprezintă cantitatea derivată din fluxul radiant (putere radiantă) în urma evaluării radiației în conformitate cu sensibilitatea spectrală a ochiului uman. Fără alte specificații, acesta se referă la fluxul luminos inițial;

„flux luminos inițial” înseamnă fluxul luminos al unei lămpi după o scurtă perioadă de funcționare;

„flux luminos util” (Φutil ) înseamnă partea din fluxul luminos al unei lămpi care cade în interiorul conului utilizat pentru calcularea eficienței energetice a lămpii;

„intensitate luminoasă (candela sau cd)” înseamnă raportul dintre fluxul luminos la părăsirea sursei și propagat în elementul de unghi solid care conține direcția dată de către elementul de unghi solid;

„unghiul fasciculului” înseamnă unghiul dintre două linii imaginare într-un plan care trec prin axa fasciculului optic, astfel încât aceste linii trec prin centrul părții frontale a lămpii și prin punctele în care intensitatea luminoasă reprezintă 50 % din intensitatea fasciculului central, unde intensitatea fasciculului central este valoarea intensității luminoase măsurată pe axa fasciculului optic;

„cromaticitate” reprezintă proprietatea unui stimul de culoare definit prin coordonatele sale de cromaticitate sau prin lungimea sa de undă dominantă sau complementară și puritate, luate împreună;

„temperatura de culoare corelată” (Tc [K]) reprezintă temperatura radiatorului planckian (corpul negru radiant), a cărui culoare percepută se apropie cel mai mult, în condiții de observare precizate, de cea a unui stimul având aceeași strălucire;

„redarea culorii” (Ra) reprezintă efectul unei surse de lumină asupra aspectului cromatic al obiectelor comparat, în mod conștient sau nu, cu aspectul lor cromatic în prezența unei surse de lumină de referință;

„coerența culorii” înseamnă abaterea maximă a coordonatelor de cromaticitate (x și y) ale unei singure lămpi față de un punct central de cromaticitate (cx și cy), exprimată ca dimensiunea (în trepte) elipsei MacAdam formată în jurul punctului central de cromaticitate (cx și cy);

„factor de menținere a fluxului luminos al lămpii” (lamp lumen maintenance factor – LLMF) reprezintă raportul dintre fluxul luminos emis de lampă la un moment dat și fluxul luminos inițial;

„factor de supraviețuire a lămpii” (lamp survival factor – LSF) reprezintă partea din numărul total de lămpi ce continuă să funcționeze la un moment dat în condiții și cu o frecvență de comutare definite;

„durata de viață a lămpii” înseamnă perioada de funcționare ulterior căreia partea din numărul total de lămpi care continuă să funcționeze corespunde factorului de supraviețuire a lămpii, în condiții și cu o frecvență de comutare definite. În cazul lămpilor cu LED-uri, viața lămpii înseamnă timpul de funcționare dintre începutul utilizării lor și momentul în care numai 50 % din numărul total de lămpi supraviețuiesc sau atunci când conservarea fluxului luminos mediu al lotului este mai mică de 70 %, indiferent care dintre aceste două fenomene apare mai întâi;

„timp de amorsare a lămpii” reprezintă timpul necesar, după punerea sub tensiune de alimentare, pentru ca lampa să pornească și să rămână aprinsă;

„timp de încălzire a lămpii” înseamnă timpul necesar de la pornire pentru ca lampa să emită o proporție definită din fluxul său luminos stabilizat;

„factor de putere” reprezintă raportul dintre valoarea absolută a puterii active și puterea aparentă în condiții periodice;

„valoare specificată” înseamnă valoarea cantitativă, utilizată în vederea specificării, stabilită pentru un set specific de condiții de funcționare a unui produs. Cu excepția unei prevederi contrare, toate cerințele se exprimă în valori specificate;

„valoare nominală” înseamnă o valoare cantitativă utilizată pentru a desemna și identifica un produs;

ANEXA 2

Transferul de căldură la corpurile de iluminat cu LED

Transferul de căldură de la joncțiune la placa suport, de la placa suport la radiator și de la radiator la mediul ambiant se face, în cea mai mare măsură, prin convecție. Transferul de căldură prin placa suport și prin radiator se face prin conducție.

►Transmisia prin conducție termică :

Cantitatea de căldură Q transmisă prin conducție termică prin suprafața de arie As pe un interval de timp t :

unde fluxul termic specific pd în regim stabilizat, pentru placa suport se determină din relația:

unde: Ts1 este temperatura pe fața interioară a suportului, Ts2 temperatura pe partea exterioară a suportului metalic, iar gs grosimea stratului suport.

Fig.A. Transferul termic în structura cu radiator (a) și schema termică echivalentă(b).

Procesului de transfer termic prin conducție i se poate atașa, într-o schemă de calcul, rezistențe termice.

prin placa suport

între joncțiune și placa suport:

între placa suport și radiator:

în care sr este transmisivitatea termică dintre placa suport și radiator, iar Asr aria suprafeței de transfer termic dintre placa suport și radiator.

în radiator:

în care r este conductivitatea termică a radiatorului, gr grosimea radiatorului, Ar aria suprafeței de transfer termic prin radiator.

► Transferului termic prin convecție, între radiator și mediul înconjurător, i se poate atașa rezistența termică R0 având expresia:

Transmisivitatea termică 0 depinde, în primul rând, de regimul de răcire al elementului radiator (răcire naturală, răcire forțată), de caracteristicile fluidului de răcire (aer), regimul de curgere (laminar sau turbulent), forma și dimensiunile suprafeței de contact cu mediul ambiant.

► Schema serie permite calculul rezistenței termice echivalente:

Fiind cunoscută temperatura maximă a joncțiunii Tjmax (în mod obișnuit Tjmax = 125C) și temperatura maximă a mediului ambiant T0max (se poate considera T0max= 30C) se stabilește puterea termică maximă Pdmax ce poate fi transferată spre exterior:

Puterea transformată în lumină depinde de eficiența luminoasă [lm/W] a structurii LED. Dacă se are în vedere că transformarea ideală a puterii electrice în flux luminos determină o eficiență luminoasă de 683 lm/W rezultă că puterea dezvoltată sub formă de căldură poate fi determinată din relația:

unde s-a notat cu Uj tensiunea la bornele structurii LED, iar Ij este curentul electric ce parcurge structura.

► Schimbul de căldură prin convecție, dintre radiator și mediul ambiant, este descris de ecuații diferențiale care iau în considerație fenomenele de conducție termică în materiale, mișcarea fluidului care preia căldura, condiții de continuitate pe suprafața de separație etc.

Dimensionarea radiatorului se face pe baza unor relații criteriale din care rezultă transmisivitatea termică: unde f este conductivitatea termică a fluidului de răcire (aer), L lungimea pe care are loc schimbul de căldură, iar numărul Nusselt Nu depinde în mare măsură de forma radiatorului. În cazurile practice, pentru configurații uzuale, sunt utilizate relații empirice:

schimb de căldură între un perete vertical și aer, cu circulație naturală:

schimb de căldură între un perete orizontal și aer, cu circulație naturală

ANEXA 3