Сообщений в теме: 67

[DNK]

Заранее извиняюсь за много буковок, но вопрос, вынесенный в название темы, крайне важен, чтобы просто пробежаться по нему. Разумеется, нижеприведенный текст не претендует на полноценное исследование, но все же я постараюсь быть понятным и в то же время не погрешить против истины.

Одно из базовых преимуществ светодиодов перед традиционными источниками света заключается в экономии электричества. Эта экономия для наилучших светодиодов относительно лучших МГ и Т5 ламп составляет в теории до 4 раз. Если говорить упрощенно, то эта экономия складывается из более эффективного управления световым потоком для светодиодов (около 2 раз) и более высоким КПД (около 2 раз). Но давайте представим что некий светодиод имеет эффективность на треть ниже, чем вышеописанный. В таком случае второй множитель будет равен 2-33%=1,34. Таким образом четырехкратное превосходство стало всего лишь: 2*1,34=2,68, то есть менее чем трехкратным! Такое значительное падение выглядит очень печально. Еще печальнее тот факт что примерно это мы и видим на практике, когда наилучшие светодиоды дают преимущество перед традиционными источниками света около 2.5 раз. Но в чем дело, почему такое значительное теоретическое преимущество на самом деле получается не таким большим? А дело в том что чем выше ток, которым питается светодиод, тем ниже его КПД. Это широко известная истина. Но давайте посмотрим на сколько именно уменьшается КПД светодиода с ростом силы тока.
В первой колонке ток светодиода, для которого приведены показания. Во второй колонке показано фактическое количество излучения в %. В третьей колонке - сколько его могло бы быть, если бы падения эффективности с ростом тока у диода не было. Третья колонка показывает насколько на данном токе падает КПД относительно тока 350мА.

Что мы видим? В зависимости от типа светодиода эффективность на максимальном токе падает относительно тока 350мА почти до 50%! Также можно сделать очень интересное наблюдение - светодиоды Cree имеют более сильное падение эффективности с ростом тока. Как я не раз говорил, светодиоды XT-E получили в даташите полтора ампера не от того что они так хороши, а от того что Cree так захотелось - повесить лапшу на уши своим клиентам. Но я не хотел бы сейчас заостряться на этом, очень важном, но все же не касающимся темы, моменте. Отрадно что есть один уникальный светодиод, который имеет почти линейную зависимость количества излучения от силы тока - светодиод Philips с длиной волны 660нм, который мы ставим на свои сборки, предназначенные для водорослевых фильтров.

Внимательный читатель может сказать - ну и что? Мы все равно не всегда используем светодиоды на предельном токе. Обычно светильник работает на токе 60-70% от предельного, а на этом токе падение КПД не так велико. Подождите, это еще не все Дело в том что с ростом силы тока растет и падение напряжения на светодиоде. А потребляемая светодиодом мощность прямо пропорциональна этому падению. Посмотрим какой вид получает наша таблица с этими данными.

Бог ты мой! Эффективность для самого слабого диода падает на ужасающие 68%! Даже фантастически эффективный дипред (660нм) светодиод потерял внушительные 12%!

Самый востребованный светодиод в МА - это синий, который имеет немногим лучшие параметры чем белый светодиод, то есть по сравнению с током 350мА падение эффективности этого светодиода на токе 1А составляет около 40%.

Наверное мои выкладки выглядят подозрительно обескураживающими? Отнюдь. В даташите на белый диод Philips Luxeon Rebel ES есть график, отражающий изменение эффективности при росте тока. Давайте сравним мои выкладки с данными производителя. Вот этот график:

Смотрим - на токе 350мА эффективность 127%, на токе 1000мА эффективность 93%. Итого падение эффективности (127-93)/93*100=36,5%. Мои расчеты дали 36%. То есть все на самом деле так и есть.

Итак, вывод, который необходимо сделать из первой части моего поста. Падение эффективности у светодиодов с ростом силы тока по сравнению с током 350мА составляет от 12% до 68%. В среднем для светодиодов, применяемых для освещения морских аквариумов, можно оценить это падение как 30-40%. Я бы советовал ориентироваться на 30% в случае диодов Philips и 40% для светодиодов Cree, когда они работают на щадящем токе и около 55% когда они работают на предельном токе.

Спасибо тем кто дочитал до этого места. Половину дороги вы уже осилили Идем далее.
Второе по счету, а в нашем случае так и вовсе первое по важности преимущество светодиодов - возможность широчайшего управления силой света, что дает возможность формировать с помощью светодиодных сборок практически любой из возможных спектров видимого света. Драйверы для светодиодов имеют зачастую две возможности управления - так называемое аналоговое, когда мы питаем светодиод именно тем током, которым хотим и так называемая ШИМ регулировка светового потока. Первый способ очень хорош в плане эффективности - светодиоды всегда получают именно тот ток, который нам необходим. Но в таком случае мы имеем не более чем 256 шагов диммирования. К сожалению, этого недостаточно для точного управления силой света. Поэтому чаще в светильниках для МА применяют ШИМ управление. Его суть в том что драйвер всегда подает на светодиод максимальный ток. Если нам надо получить силу света менее чем 100%, мы делаем очень просто - подаем ток на светодиод только часть времени. Например, если нам надо 50% силы света, то мы 50% времени подаем ток, а 50% не подаем. Таким образом, светодиод горит только половину времени. Если периоды времени когда светодиод горит и когда не горит очень малы, то наш глаз не видит отдельных вспышек, а видит как светодиод дает света 50% от максимума.

Для всех опытов, описанных ниже, использовалась оценочная плата (evaluation board) изготовленная производителем чипа драйвера.

Посмотрим как это выглядит на практике. Для начала посмотрим что будет если мы станем питать светодиод хорошим драйвером, который прекрасно держит заявленный ток 750мА, с точностью 3%, как и указано в даташите на него:

Это скриншот с экрана осциллографа. Я убрал всю лишнюю служебную информацию и оставил только график силы тока. Нижняя красная полоска показывает нулевой ток, верхняя - целевой. Как видите, целевой ток выдерживается с точностью 3%, как и положено. Думаете такая же точность будет у драйвера при ШИМ? Дудки, никто не обещал такого счастья на всех режимах Ставим ШИМ 50%, вот что мы видим:

Картинка выглядит неожиданно мерзковато... Обычно управление по ШИМ изображают упрощенно как серию букв П, между которыми есть некоторый промежуток, который при ШИМ 50% равен ширине самой буквы П. В идеальном случае ток прыгает от ноля до максимума, который дает драйвер. Реально же ток запрыгивает куда как выше - как видите, в ДВА раза выше целевого тока. Только потом внутренние компараторы соображают что надо делать и опускают ток до максимального тока драйвера, где он и держится с хорошей точностью на необходимом уровне в течение всего цикла включения драйвера. Затем ток проваливается до нуля и остается на этом уровне до следующего цикла. Таким образом мы можем видеть две вещи - в начале цикла мы получаем резкий рост тока примерно в два раза выше максимального тока светодиода, что крайне плохо для него и превышает допустимые значения, пусть и очень кратковременно. Также, как несложно догадаться, вместо того чтобы питать светодиод током в половину от максимального и получить таким образом хороший КПД на этом токе, мы вынуждены питать его все время, пока он получает ток, максимальным током драйвера, получая таким образом крайне низкий КПД! Как было бы хорошо, если бы можно было приблизить среднее значение силы тока к целевому, да еще и убрать при этом такой плохой начальный пик тока.

Как говорится, мы строили-строили и наконец построили С большим удовольствием хочу показать вам картинку, которая получена нами для таких же условий:

Как видите, первоначальный пик полностью устранен, а в течение цикла ШИМ ток не опускается до ноля. Таким образом, ток у нас прыгает не как показано выше от 0 до 750мА, а всего от 290 до 480мА, при этом большую часть времени ток пребывает в промежутке от 330 до 400мА. Для того чтобы корректно оценить экономию электричества, которая получается в этом случае относительно стандартного варианта работы драйвера, надо интегрировать оба графика и привязываться к конкретному типу (набору) светодиодов. Но я думаю что примерно 20% экономии получится, а для некоторых, особо запущенных случаев типа диодов Cree, работающих на токах близким к максимальным - и более, вплоть до 30%, которые я вынес в заголовок темы

Из этого исследования я бы хотел сделать еще один важный вывод. Светодиоды от производителей второго эшелона, например все светодиоды от Semileds (кроме фиолетовых которые не просто лучшие в мире, но и значительно лучше синих от этого производителя!) имеют КПД хуже на 30-40% относительно топовых диодов. Использование этого драйвера сможет убрать примерно половину этого недостатка для наиболее широко используемых на практике режимов, что очень здорово!

Основные параметры драйвера:
Рабочее напряжение от 6 до 60В.
Глубина диммирования 1:миллиону. Этот тот самый драйвер, о котором я писал в этой теме: https://reefcentral....u-lunu/?p=90207
КПД драйвера до 98.5%.
Рабочая частота ШИМ до 12КГц. Вышеуказанные данные были получены для частоты ШИМ 6КГц. Таким образом, даже малейшего намека на мерцание быть не может

Еще немаловажен тот факт, что имеются исследования, которые показывают что немерцающий свет позволяет фотосинтетикам усваивать его лучше.

Напоследок хотел бы отметить что я не слышал о том что бы кто-то производил драйверы с такими параметрами. Этот драйвер отдан в производство, я надеюсь что уже в начале ноября он будет доступен в продаже. Цена двухдрайверной сборки будет несколько выше, чем у текущей, но оно того более чем стоит.

[GAS]

Конденсатор на выход поставили?

[dima_kalina]

Я не специалист, но выглядит логично и достаточно обоснованно.

[Team tapatalk for ReefCentral.ru]

[DNK]

Рад что как минимум два человека осилили этот материал до конца, за что им спасибо. Нередко даже важные вещи кажутся мелочами тем, кто не живет непосредственно внутри задачи. Конечно, бывает и наоборот - тому кто внутри задачи каждая мелочь кажется важной, а на поверку она не так уж и важна. Но мне кажется что эта тема важна для всех, уж больно велик бонус!

Конденсатор на выход поставили?

Если бы это было так просто, то все бы так и делали. Бонус большой, затраты мелкие - почему бы и нет? Однако, так просто ларчик не открывается. Можете попробовать поставить конденсатор, это несложно, и посмотреть на результат. Только будьте готовы - возможны звуковые эффекты

Отдельно отмечу - на драйверы типа MW LDD конденсатор на выход ставить не советую даже для экспериментов.

На led-professional была заметка пару месяцев назад о парнях, которые сделали примерно то же самое, только не так эффективно. Грубо говоря, если у нас размах тока при ШИМе уменьшился в 5 раз, то у них - раза так в 3. Преподносилось это как выдающееся достижение, причем редактор онлайн-журнала с этим не спорил

[yury88]

Таким образом мы можем видеть две вещи - в начале цикла мы получаем резкий рост тока примерно в два раза выше максимального тока светодиода, что крайне плохо для него и превышает допустимые значения, пусть и очень кратковременно. Также, как несложно догадаться, вместо того чтобы питать светодиод током в половину от максимального и получить таким образом хороший КПД на этом токе, мы вынуждены питать его все время, пока он получает ток, максимальным током драйвера, получая таким образом крайне низкий КПД! Как было бы хорошо, если бы можно было приблизить среднее значение силы тока к целевому, да еще и убрать при этом такой плохой начальный пик тока.

 

Я очень не хочу новых разборок, но хочу чуть чуть спокойно подискутировать:

откуда информация что кратковременные импульсы тока снижают КПД? Есть пруф линк на подобное исследование?
Светодиод -это всё же полупроводник, его КПД зависит в большей степени от температуры. По сути нет особой разницы(только без крайностей) питать диод постоянным током заданной величины или скажем подавать импульсы тока в двое больше за меньший промежуток времени.

 

По моему что бы однозначно утверждать о увеличении КПД нужно взять монохромный светодиод, взять быстродействующий фотодиод с пиком чувствительности совпадающим с спектром светодиода. И соответственно снимать осциллограммы и считать относительный КПД...

 

///

По модуляции вашего драйвера- если управляющий сигнал именно ШИМ, а на выходе это, то это просто ужасно для силового ключа. Заваленные нестабильные фронты. Должна быть четкая ступенька... 

[DNK]

Спасибо за проявленный интерес, Юра.
 

откуда информация что кратковременные импульсы тока снижают КПД? Есть пруф линк на подобное исследование?

КПД светодиода на данном токе равен тому, что указывает даташит производителя. Ты где-нибудь хоть когда-нибудь встречал данные что, к примеру, если на токе 350мА КПД 100%, а на токе 1000мА 50%, то падение КПД распространяется только на импульсы тока длительностью более 1мс (или иной любой промежуток времени)? Нет, КПД диода зависит от силы тока, падения напряжения, температуры, но не длительности импульса тока.
 

Светодиод -это всё же полупроводник, его КПД зависит в большей степени от температуры.

Для некоторых светодиодов - как для того же amber это так, а, к примеру, для синих от Филипса падение светимости на всем рабочем промежутке температур составляет всего лишь 15%, в то время как падение эффективности, обусловленное ростом тока, значительно выше.

По сути нет особой разницы(только без крайностей) питать диод постоянным током заданной величины или скажем подавать импульсы тока в двое больше за меньший промежуток времени.

Пожалуйста, пойми что эффективность светодиода не зависит от времени подачи на него тока. Да, за миллисекунду его кристалл просто не успеет разогреться, то есть падения эффективности от нагрева не будет. Но падение эффективности, вызванное высоким током и бОльшим падением напряжения на этом токе, никуда не денется. Можно, конечно, вспомнить что падение напряжения зависит также от температуры кристалла, но это мелочь.
 

По моему что бы однозначно утверждать о увеличении КПД нужно взять монохромный светодиод, взять быстродействующий фотодиод с пиком чувствительности совпадающим с спектром светодиода. И соответственно снимать осциллограммы и считать относительный КПД...

Все уже сделано до нас Я же не зря поместил в свой текст график из даташита производителя. Не я его рисовал Также подчеркну - я его поместил для проверки своих выкладок. Как видишь, все сошлось очень точно
 

По модуляции вашего драйвера- если управляющий сигнал именно ШИМ, а на выходе это, то это просто ужасно для силового ключа. Заваленные нестабильные фронты. Должна быть четкая ступенька...

Юра, пожалуйста, будь внимательнее - я специально выделил жирным шрифтом что все испытания проводились на драйвере, который продается как оценочная плата производителем чипа драйвера. Хочешь сказать что у него что-то сделано не так? Я не буду спорить

[FEV]

немножко недопонял данные из таблияки: вы рассматриваете на примере диодов с током в 350 мА, что значат ниже стоящие цифры :750 и 1500? т.е. этот ток который подавался на диод рассчитанный на 350 мА?

[yury88]

Я думаю производитель снимал показания для стабилизированного тока при заданной температуре кристалла. Для импульсов тока график думаю будет выглядеть по другому...

 

 

 

 

Юра, пожалуйста, будь внимательнее - я специально выделил жирным шрифтом что все испытания проводились на драйвере, который продается как оценочная плата производителем чипа драйвера. Хочешь сказать что у него что-то сделано не так? Я не буду спорить   

Тут может быть множество решений. я уже предлагал использовать гибридное управление, вот тут будут осциллограммы такие красивые, что можно в рамочку вешать и на стену любоваться=)

 

Если на плате нет преобразователя управляющего сигнала по типу ШИМ-аналоговый-... , то решение кажется странным...
Любой электронщик скажет что заваленные фронты= низкий КПД. Тут видимо какое то хитрое решение, но пока не пойму как оно работает- не верю 

[DNK]

немножко недопонял данные из таблияки: вы рассматриваете на примере диодов с током в 350 мА, что значат ниже стоящие цифры :750 и 1500? т.е. этот ток который подавался на диод рассчитанный на 350 мА?

Это данные из даташитов производителя - какое количество излучения будет давать светодиод на этом токе. Где указано 1500мА - это диоды Cree XT-E, для них производитель заявляет рабочий ток до 1500мА. Где указан ток до 1А - там производителем заявлен рабочий ток до 1000мА, где указан ток до 700мА, там заявлен производителем рабочий ток до 700мА. То есть ни о каком овердрайве речь не идет.

[DNK]

Я думаю производитель снимал показания для стабилизированного тока при заданной температуре кристалла. Для импульсов тока график думаю будет выглядеть по другому...

Эта плата выпускается как оценочная плата, чтобы можно было оценить ВСЕ возможности чипа драйвера и уже на основе этих исследований построить свой вариант, который в ту или иную сторону отличается от этого решения. Разумеется, одним из базовых показателей для чипа драйвера является возможность ШИМ управления средним током. Разумеется, она реализована на оценочной плате так, как это полагает правильным производитель.
 

Тут может быть множество решений. я уже предлагал использовать гибридное управление, вот тут будут осциллограммы такие красивые, что можно в рамочку вешать и на стену любоваться=)

Гибридное управление сделать можно, мы с ним работали. Но ничего не получается толкового в реале.
 

Если на плате нет преобразователя управляющего сигнала по типу ШИМ-аналоговый-... , то решение кажется странным...

Если будет преобразование ШИМ в аналог, то будет 256 ступеней яркости (есть только один чип в мире, который дает 512 ступеней при аналоговом управлении) что крайне мало. Особенно в сравнении с миллионом ступеней яркости у нашего варианта драйвера

Любой электронщик скажет что заваленные фронты= низкий КПД. Тут видимо какое то хитрое решение, но пока не пойму как оно работает- не верю 

Иногда для того чтобы получить очень красивые фронты ставят транзистор, который играет роль шунта. Он КПД отнюдь не увеличивает, зато фронты какие красивые - любо-дорого см. даташит на TI TPS92640.

[yury88]

Во даташит, изучу в свободное время, его сейчас маловато, так что скорее всего пару дней в дискуссии участвовать не буду.

[Sleepy]

Ну драйвер скоро будет на сколько я понимаю...

А дальше совершенно несложно проверить результат на практике. Благо тут все параметры понятны и  высокие непонятные материи уходить не надо.

[DNK]

Благо тут все параметры понятны и  высокие непонятные материи уходить не надо.

Николай, так оно все и так прозрачно Или ты где-то увидел в моих рассуждениях неясное место? Допустим, я неправ. Тогда почему мое мнение сходится с мнением производителя?

Что касается осциллограммы - там все видно совсем без проблем

Но буде желающие потестить - могу устроить смотрины прототипу драйвера хоть сегодня

[Sleepy]

Николай, так оно все и так прозрачно Или ты где-то увидел в моих рассуждениях неясное место? 
Но буде желающие потестить - могу устроить смотрины прототипу драйвера хоть сегодня

Да даже напрягаться-думать лениво есть там слабые места или нет и что может быть упущено. Просто люксметром и ваттметром посмотреть что получается (ес-но на каком-то наборе диодов фиксированном) и закрыть вопрос.  Если все сойдется то выдадим медаль "Молодец", если нет - иди дальше думай.

[DNK]

Просто люксметром и ваттметром посмотреть что получается

Так я уже и посмотрел Просто то, что видно аналитикой из даташитов, проверить может любой. Также то, что видно на экране осциллографа тоже подделывать как бы глупо, а вот что получается в реале намеряное - я показывать пока не хочу. Потому что одно дело прототип, а другое - массовое производство.

[Sleepy]

Так я уже и посмотрел Просто то, что видно аналитикой из даташитов, проверить может любой. Также то, что видно на экране осциллографа тоже подделывать как бы глупо, а вот что получается в реале намеряное - я показывать пока не хочу. Потому что одно дело прототип, а другое - массовое производство.

Будем ждать... (с)

[oleg_il]

Любой электронщик скажет что заваленные фронты= низкий КПД. Тут видимо какое то хитрое решение, но пока не пойму как оно работает- не верю  

 

Если я правильно понял Диму, последняя картинка - это осциллограма ТОКА, а не напряжения на ключевом транзисторе. Поэтому тут фронты и не важны.

 

Дим, ты тумана конечно понаразвел.... Это TPS92640 так работает?

[DNK]

Это TPS92640 так работает?

Нет, это 3406hv, вкупе с некоторой небольшой хитростью. Окончательный вариант вообще показал себя на тестировании зверем - отклонение при ШИМ 50% от целевого тока от плюс 5% до минус 8%, бОльшая часть графика умещается вовсе в +-3% В общем, как будут на руках образцы промышленные, покажу результаты работы с люксметром в руках

[oleg_il]

В общем, как будут на руках образцы промышленные, покажу результаты работы с люксметром в руках

 

А толку в люксметре, что он покажет?

Но вот если ток такой ровненький, во всем диапазоне - то это оч. хорошо.

[DNK]

А толку в люксметре, что он покажет?

Собственно он уже и показал, что ж я, просто так начал рыть эту тему, чтоль
Но я хочу ознакомить всех с показаниями люксметра не с применением прототипа драйвера, а с применением серийного экземпляра. Береженого бог бережет, знаешь ли.

Люксметр - только потому что белые диоды им измеряются хорошо и вполне честно. Вот поэтому и тестировался на этапе разработки и тестироваться будет рассматриваемый в этой теме эффект с применением именно люксметра, как наиболее простого прибора. Разумеется, все что справедливо для белых диодов также справедливо для всех остальных с поправкой на тип диода - см. стартовое сообщение.
 

Но вот если ток такой ровненький, во всем диапазоне - то это оч. хорошо.

Ни малейшего намека на мерцание не отловит никакая аппаратура, не то что глаз

Все ж таки не удержусь, покажу финальную картинку

Ток драйвера 1А, ШИМ 50%, входное напряжение 48В, длина цепочки диодов - 12 штук, из них 6 белых, 6 синих. Все диоды Philips Luxeon T.

Вот во что превращается меандр ШИМ'а, если его "правильно готовить"