Kocaeli Üniversitesi

Transkript

1 Eleco 4 Elekrik Elekronik Bilisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 7 9 Kasım 4, Bursa Seri Bağlanılı LED Armaürlerin Senkron DC-DC Dönüşürücü Kullanılarak Işık Şiddei Konrolü The Lih Inensiy Conrol of Series Conneced LED Lamps usin Synchronous DC-DC Converer Barış PİRCİ,, M. Zeki BİLGİN, Tarık ERFİDAN Elekrik Mühendisliği Bölümü Kocaeli Üniversiesi baris.pirci@homail.com, bilin@kocaeli.edu.r, arik@kocaeli.edu.r Öze LED eknolojilerindeki son elişmeler ile, LED lerin konularda, endüsriyel ve icari alanlarda, karayolu, hava alanı pisi, ünel aydınlamaları ibi uyulamalarda klasik lambalar yerine kullanımı mümkün hale elmişir. Özellikle karayolu ve uçak pisi aydınlamalarında LED lerin ışık parlaklığı ve reni sürücü ve pilolar için önemlidir. Sürüş üvenliği için üm LED lerin ışık parlaklığı ve reni eşi olmalıdır. Bu sebeple sabi parlaklık için DA-DA dönüşürücü kullanılarak LED akımları konrol edilmelidir. Basi akım eri beslemesine sahip senkron DA-DA dönüşürücü bu iş için uyundur. Bu makalede, LED ler için PID akım konrollü senkron DA-DA dönüşürücü önerilmişir. Sisemin MATLAB/ Simulink e modelleme ve benzeimi yapılmışır. Absrac Due o he recen advancemen in he LED echnoloy, LEDs becomes possible in residenial, indusry and commercial applicaions o replace he convenional lamps in eneral illuminaion, such as, runway, sree, unnel lihin. Especially runway and sree applicaions, LED s brihness and colours are primary imporance for drivers and pilos. All LEDs mus have same brihness and colour for drivin safey. Thus, LED currens mus be conrolled for consan brihness usin DC-DC converer. A synchronous DC-DC converer is paricularly suiable for his work wih simple curren feedback conrol. In his paper, he curren conrolled synchronous DC-DC buck converer wih PID conroller for LEDs is proposed. The sysem is modelled and simulaed usin MATLAB/Simulink.. Giriş Günümüzde yaşam sandarlarının yükselmesi ile aydınlamaya bakış değişmiş, hem dekoraif hem de özel ve hassas aydınlama uyulamaları armışır. Ampul ve LED eknolojisindeki elişmeler, yeerli kaliede ve verimde aydınlama konusunda çalışmaları arırmışır [,]. Özellikle LED eknolojilerindeki elişmeler paralelinde üreilen LED armaürlerin kullanılmaya başlanması ile aydınlama konusu yeni bir boyua aşınmış ve LED ler dekoraif aydınlamanın dışında her ür uyulamada kullanılmaya başlamışır. Yüksek ömür ve ışık verimliliği, ışık reni ve şiddeinin ayarlanabilmesi, çok hızlı bir şekilde açılıp kapanması ibi özellikleri LED leri ön plana çıkarmışır. Son yıllarda hava alanı uçuş pisleri aydınlamasında da LED armaür kullanımı yayınlaşmaya başlamışır. Aydınlaılan alanda homojen bir ışık şiddei oluşurmak ve armaürlerin parlaklıklarını eşi yapmak bazı uyulamalar için çok önemlidir. Hava alanı pisleri ibi, uzakan bakıldığında farklı parlaklıka armaürlerin örüşe zarar verdiği uyulamalarda da üm armaürlerin aynı parlaklıka yanması isenir. Bu da ancak eşdeğer armaürlerden eşi akım eçirerek yapılır. Bunun için armaürler birbirlerine alışılmışın aksine seri bağlanmalıdır. Seri bağlı armaürlerin akımının sabi uulması için özel üç elekroniği devreleri kullanılır. Ayrıca seri bağlı armaürlerin birinin zarar örmesi ile üm armaürlerin devre dışı kalmasının önlenmesi erekmekedir. LED lerden isenilen şarlarda ışık alabilmek için, LED sürücü devreleri kullanarak akımlarının sabi uulması ereklidir. LED sürücü devreler çoğunlukla DA-DA dönüşürücüler, yani yarı ileken üç elemanları içerirler. Sabi ışık şiddei için değişken iriş erilimi ve yük durumunda bile dönüşürücünün çıkış akımı eri beslemeli bir konrolcü kullanarak anlık olarak sabi uulmalıdır. Bu çalışmada, seri bağlı LED armaürlerde sabi ışık şiddei üremek için senkron ip bir DA-DA dönüşürücünün PID deneleyici ile konrolü sağlanarak değişken şarlarda sabi akımda çalışması sağlanacakır. Karşılaşırma yapmak amacı ile deneimsiz diyolu DA-DA dönüşürücü ve deneimsiz senkron dönüşürücü benzeim sonuçları da verilmişir.. Sisem Tanımlama Oluşurulan deneim sisemi prensip şeması Şekil de verildiği ibidir. 88

2 Eleco 4 Elekrik Elekronik Bilisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 7 9 Kasım 4, Bursa uyulamalarında senkron dönüşürücülerin verimi yüksek olacakır. Bu sebeple yüksek akımlı uyulamalarda ercih edilmekedir [6-9]. Şekil : Sisemin prensip şeması Sisem 3 ana parçadan oluşmakadır. Bunlar DA-DA dönüşürücü, PID deneleyici ve LED armaürlerdir... DA-DA Dönüşürücü Doğru akım dönüşürücüler doğru erilimi yine bir doğru erilime dönüşürürler. Endükanslı ve ransformaörlü olmak üzere iki enel ruba ayrılmakadırlar. Endükanslı dönüşürücülerin, düşürücü (buck), yükselici (boos), düşürücü-yükselici (buck-boos) ipleri, ransformaörlü dönüşürücülerin ise, eri dönüşlü (fly back), ileri yönlü (forward), am köprü (full bride), yarım köprü (half bride) ve push pull ipleri vardır[4]. Prooip asarımda, 4 Vol DC besleme erilimini,.7a lik sabi akımda 3 ade 3 er Wa lık Power LED i sürmek için ihiyaç duyulan.8 V DC erilimine indirmek için düşürücü ür bir DA-DA dönüşürücü kullanımı erekmekedir. Farklı düşürücü ip dönüşürücüler lieraürde önerilmişir. Bunlardan bu çalışmada kullanılan, diyolu ip ve senkron ip dönüşürücü emel devre şeması Şekil de verildiği ibidir. Çalışma prensibi klasik düşürücü ip DA-DA dönüşürücü ile aynıdır. Ancak diyo yerine Q akif anaharı kullanıldığı için anahar konrol edilmelidir ve Q ve Q için eikleme sinyalleri birbirinin ersi olmalıdır. Senkron düşürücü ip dönüşürücü devresinde Q anaharı ileimdeyken kaynakan elen enerji endükans akımını sabi bir eğimle arırırken, anaharın kesime sokulmasıyla, endükans akımı Q anaharı ileime sokularak üzerinden akıılır. Dönüşürücüde kullanılan bobin ve kondansaör değerleri çıkış akım ve eriliminin dalalılığı ile çalışma frekansına öre uyun hesaplanmalıdır. Çalışma için uyun endükans değeri % dalalılık için (3) den ile hesaplanabilir. V L = D ) I f i ( D (3) L Burada, V i iriş erilimi, f s anaharlama frekansı, L bobin endükansıdır. Bobin akımında % luk dalalanma, anaharlama frekansı f s = khz için bobin endükansı L=8.8 µh olarak hesaplanmışır. Şekil deki devrelerden, I c =I L- I o olduğundan, kondansaörün dolması ve boşalması amamen endükans akımdaki dalalanmaya bağlıdır. Kondansaör eriliminde isenen dalalanma mikarına öre kondansaör değeri (4) denkleminden hesaplanabilir. C I s L = (4) 8 fs Vc Çıkış eriliminde %. lik dalalanma için kondansaörün değeri, C=6.8 µf olarak hesaplanmışır. Şekil : a- Diyolu, b- senkron düşürücü ip dönüşürücü. DA-DA dönüşürücülerde erilim konrolü yayın olarak Darbe Genişlik Modülasyonu (DGM) yönemi ile kolayca yapılır. Basi olarak, esere dişi bir sinyal ile sabi bir konrol eriliminin karşılaşırılarak anaharlama sinyali üreimine dayanır. Çıkış erilimi değeri, doluluk oranı olarak anımlanan D nin değişirilmesi ile konrol edilir []. V = D () D o V i on on = = ve on off T s D () Burada, V i iriş erilimi, V o çıkış erilimi, on, Q anaharının ileimde olduğu, off anaharın kesimde olduğu süre, T s ise anaharlama periyodudur. Diyolu dönüşürücülerin verimleri, yüksek akım ve düşük çıkış erilimlerde düşük olmakadır. Senkron ip dönüşürücülerde diyo yerine ikinci bir akif anahar kullanılmakadır. Akif anaharlama elemanları olarak, ileim direnci çok düşük ve erilim düşümü düşük olan MOSFET lerin kullanılması ile düşük erilim yüksek akım.. PID Deneleyici Kapalı çevrim deneim sisemi içinde deneleyicinin örevi referans iriş büyüklüğü ile çıkış büyüklüğü arasında oluşan haa değerine ve kendi yapısına bağlı olarak uyun bir deneim sinyali üremekir. Dönüşürücünün değişken besleme erilimlerinde ve değişken yük değerlerinde sabi akım çıkışı verebilmesi ancak siseme bir deneleyicinin ilavesi ile mümkün olabilecekir. Bu çalışmada konrolcü olarak PID deneleyici kullanılmışır. Şekil den de örüleceği üzere PID deneleyici sabi akımı sağlayacak doluluk oranı(d) nın üreilmesi için kullanılmışır. Lieraürde PID kasayılarının hesabı için farklı yönemler önerilmişir [9-]. PID kasayılarının hesaplamasına burada değinilmeyecekir. PID deneleyicinin çıkış bilisi darbe enişlik modülasyonu üreecinin irişine uyulanmakadır. Darbe enişlik modülasyonu üreeci, birbiriyle zı ileime iren ve eş zamanlı çalışan Q ve Q anaharları için uyun eikleme sinyallerini üremekedir..3. Yük Seçimi Tasarlanan dönüşürücünün çıkışına yük olarak seri 3 ade her biri 3 W lık Power LED bağlandığı ve 7 ma sabi akımla 89

3 Eleco 4 Elekrik Elekronik Bilisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 7 9 Kasım 4, Bursa sürüldüğü düşünülmüşür. Ancak aydınlama amaçlı kullanılacak armaür, iseğe ve ihiyaca öre farklı kombinasyonlarda ve çok sayıda Power LED kullanılarak asarlanabilir. Özellikle LED Aydınlama armaürünü oluşuran Power LED lerin paralel ve seri bağlanmaları ile armaür akımı yüksek değerlere çıkabilir. Bu durumda dönüşürücü çıkış akımı ek bir armaür akımına eşi seçilerek çalışırılabilir Çalışmada LED rubu, seri bağlı olduğu için sabi uulması ereken çıkış akımı değeri de 7 ma olacakır. Ancak farklı akım değerlerine de kolayca uyarlanabilecekir. Power LED modeli yerine, R= 6. ohm luk bir direnç eşdeğer olarak kabul edilip bağlanmışır. Burada Power LED lerin lineer olmayan modeli kullanılmayıp basi modeli kullanılmışır. Amaç sabi akımı yakalamakır. Gerekirse lineer olmayan LED modeli de kolayca uyarlanabilir. Seri bağlı LED lerin isenilen anda ileimden çıkarılması için devrede LED lere seri/ paralel akif anaharlar yerleşirilmişir. Böylelikle oluşurulan anaharlama ruplarıyla LED ler,, 3 ade devrede seri yük olarak kalabilecekir. Böylece devreyi asarlama amaçlarından biri olan değişken yük değerlerinde sabi akım çıkışını özlemleme imkânı oluşacakır. Seri devrelerde herhani bir elemanın devreden çıkması ile üm devrenin akımının kesilmesini önlemek için alernaif yapılar da vardır. LED leri devreden çıkaran örnek seri/paralel anaharlama yapısı Şekil 3 de öserilmişir. dönüşürücü üzerinden beslenerek sonuçlar alınmışır. İkinci olarak deneimsiz senkron deneleyici ile yük beslenmiş ve aynı şarlarda sonuçlar elde edilmişir. Son olarak PID deneimli senkron deneleyici ile yük beslenmiş ve üm olası şarlarda isenilen sabi akımda çalışma sağlanmaya çalışılmışır. 3.. Diyolu Dönüşürücü Benzeimi MATLAB/Simulink e ilk olarak Şekil 4 de örülen deneimsiz ve pasif anaharlı (diyo) dönüşürücü devresi kurulmuşur. Devrenin çıkışında bulunun 3 ade seri bağlı Power LED rubunu 7 ma çıkış akımında çalışırmak isenmekedir. Giriş erilimi V i =4 Vol olduğunda çıkış erilimi V o =.86 Vol olacağından doluluk oranı D=.367 olarak hesaplanmışır. Giriş erilimi 4 V DC olarak belirlenmiş olmasına rağmen PID deneimli senkron dönüşürücünün değişken iriş erilimlerinde es edebilmek için iriş erilimine V a.sin (ω) değerinde bir değişken erilim eklenmişir. Burada V a =±%.V i enliğinde bir erilimdir. Şekil 4: Pasif Anaharlı ve Deneimsiz DA-DA Düşürücü (Buck) Dönüşürücü Şekil 3: Farklı seri bağlanı yapıları, a-paralel, seri anahar. Çalışmada yük değişimini sağlamak için S ve S anaharları manuel olarak ileime sokularak LED ler devreye alınmakadır. S ve S anaharlarının deneimi ilili analiz yapılmamışır. 3. Sisemin Modellenmesi ve Benzeimi Bu çalışmada, değişken yük ve değişken besleme erilim alında seri bağlı LED rubunu sabi akımla çalışırılmasını amaçlayan bir düşürücü ip senkron DA-DA dönüşürücü devresinin simülasyonu yapılmışır. Çıkış ücü düşük olduğundan, senkron düşüren (buck) ürü bir opoloji seçilmesi, verim açısından daha uyun örülmüşür. Devrenin değişken yük ve değişken erilim alında sabi akım çıkışı verebilmesi için, devrenin deneimi PID deneleyici ile sağlanmakadır. Değişken yüklerin oluşurulması için devredeki herhani bir yükün açık devre edilmesi durumunda, yükler seri bağlı olduğu için devrede açık devre olacakır. Devrede herhani bir yük açık devre olsa bile devrenin enerjisinin kesilmemesi için Şekil 3-a deki yapı kullanılmışır. Böylece herhani bir arıza durumunda devre akımı kesilmeyecekir. Şekil en çıkış akımının 7 ma yerine yaklaşık 68 ma olduğu örülmekedir. Akım düşük olduğu için diyo üzerinde düşen erilim olere edilebilecek değerdedir. Yüksek akımlarda ekisi daha büyük olmakadır , Şekil :. Diyolu ve deneimsiz dönüşürücü çıkış dala şekilleri Şekil 6.a ve b de sırasıyla bobin akımın ve kondansaör erilimi değişimi verilmişir. Beklendiği ibi akım için I L =.73A, kondansaör için ise V C =.88lV dalalanma örülmüşür. Modelleme 3 ayrı çalışma durumunda erçekleşirilip sonuçlar karşılaşırılmışır. İlk olarak yük deneimiz diyolu 9

4 Eleco 4 Elekrik Elekronik Bilisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 7 9 Kasım 4, Bursa.7 IL (A) a Vc (V) b Şekil 6: Diyolu ve deneimsiz dönüşürücü için, a- bobin akımı, b-kondansaör erilimi değişimi Yük akımının değişimi, değişken iriş erilimlerinde Şekil 7- a da, değişken yük durumunda ise Şekil 7-b de verilmişir a Şekil 7:Pasif anaharlı ve deneimsiz dönüşürücünün dala şekilleri, a-değişken iriş erilimi, b-deşişken yük LED LED -b- 3 LED Şekil 9: Deneimsiz senkron dönüşürücü çıkış dala şekilleri. Bobin akımında I L =.7A lik, kondansaör eriliminde ise V C =.7V bir dalalılık oluşmuşur. Akif anahar kullanılarak isenilen dalalılık yakalanmış, verimlik arırılmış olmasına rağmen deneimsiz olduğu için değişken iriş erilimleri ve değişken yüklerde sabi akım çıkışı veremeyeceği ve Şekil 7 deki değişimlere benzer çıkış vereceği açıkır. Bu eksikliği idermek için siseme bir konrolcü eklenmelidir. Bu çalışmada konrolcü olarak PID kullanılmışır PID Deneimli Senkron DA-DA Düşürücü Benzeimi PID deneleyici eklenmiş sisemin MATLAB /Simulink modeli Şekil daki ibi oluşurulmuşur. Şekil 7 den örüldüğü üzere, yük ve iriş erilimi değişimlerinde çıkış akımın sabiliği korunamamakadır. 3.. Deneimsiz Senkron DA-DA Düşürücü Benzeimi Şekil 8 de örüldüğü ibi deneimsiz ve senkron anaharlı dönüşürücü devresi diyo yerine Q anaharı kullanılarak MATLAB/Simulink e kurulmuşur. Devrenin yükü aynıdır ve 7 ma için D=.367 yapılmışır. Şekil : PID Deneimli Senkron DA-DA Dönüşürücü. PID deneleyicinin paramerelerinin ayarlanması farklı yönemlerle yapılabilmekedir[,]. burada bu yönemler anlaılmayacakır. PID Deneleyicinin kasayıları için K p =6.83 K i =9.747 K d = değerleri kullanılmışır. Şekil de değişken iriş eriliminde ve sabi yüke alınan sonuçlar verilmişir. 3 Şekil 8 : Deneimsiz Senkron DA-DA Düşürücü Giriş eriliminin ve yüklerin sabi olduğu durumda yük erilimi ve yük akımı Şekil 9 daki ibi oluşmuşur. Çıkış eriliminde.86 V, çıkış akımında ise 7 ma olarak özlenmişir. Böylece diyoun üzerinde uuğu erilim nedeniyle oluşan haa bu devrede özlemlenmemişir. Bu nedenle çıkışında herhani bir erilim düşümü isenmeyen devrelerde diyo yerine, Q ile senkron çalışan ve ers eiklenen Q anaharının kullanılmasının faydası örülmüşür Zaman (s)...3 Şekil : Değişken iriş erilimi ve sabi yüke dala şekilleri. Şekil den, iriş eriliminin değişken olduğu durumda, yük akımının Io=.6977A, çıkış eriliminin ise.84 V olduğu örülmekedir. Çıkış akımında haa PID paramereleri 9

5 Eleco 4 Elekrik Elekronik Bilisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, 7 9 Kasım 4, Bursa bulunurken çıkış rafiğinin elde edilmesi için sınırladığımız alanlar ve belirlediğimiz ourma değeri yüzdesi değerinden kaynaklanmakadır. Bobin akım ve erilimi ise Şekil de öserildiği ibidir. IL (A) Şekil : PID deneimli senkron dönüşürücüde bobin akım ve kondansaör erilim Şekil 3 e LED lerin kademeli olarak devre dışı bırakılarak yükün değişirilmesi durumunda çıkış akımının değişimi verilmişir. İlk LED =6ms de açık devre, ikinci LED =ms de açık devre yapılması ile devrede ek LED bırakılmışır. Şekilden de örüleceği üzere PID deneleyici yükün değişmesi durumunda da çıkış akımını isenilen referans değere eirmeyi başarmışır. Yükün devreden çıkma anlarında akımda eçici dalalanmalar yaşanmışır. Bu devrede var olan bobin ve kondansaörlerin eçici durumlarından kaynaklanmakadır Şekil 3: PID deneimli senkron dönüşürücüde değişken yüklerde çıkış dala şekilleri Şekil ve Şekil 3 den örüldüğü üzere PID Deneimli Senkron DA-DA Düşürücü ip dönüşürücü kullanılması ile, değişken iriş erilimi ve değişken yüklerde sabi akım çıkışı vermeyi başarmışır. Değişken iriş erilimi ve özellikle değişken yük durumlarına sahip sisemlerde devrenin kullanılabileceği örülmüşür. Özellikle çalışmaya konu olan sabi parlaklıka çalışırılmak isenen seri bağlı LED armaürlerin beslenmesinde kullanımı faydalı olacakır. 4. Sonuçlar Seri bağlı LED armaürlerden eşi parlaklıka ışık alabilmek için değişken iriş erilimi ve değişken yük durumunda bile devrenin akımının sabi olması isenmekedir. LED armaürler seri bağlı olduğu için akımı sabi umak için armaür ücüne de bağlı olarak erilim değeri yüksek seviyelere çıkabilir. Ayrıca LED lerden bazılarının çalışma sırasında arızalanması ile yük değişimleri oluşabilir. Tüm şarlarda seri LED armaürlerin akımlarını sabi umak için DA-DA dönüşürücü kullanımı erekmekedir. Çalışmada belirlenen seri LED armaürler için farklı DA-DA dönüşürücü ve konrol yapıları incelenmişir. İlk olarak klasik diyolu düşürücü ip dönüşürücü kullanılmışır. Bu ip dönüşürücüde özellikle yüksek akımlı ve düşük erilimli çalışmalarda verimin düşük olduğu ve hedef akıma am ulaşılamadığı örülmüşür. İkinci olarak senkron ip DA-DA düşürücü ip dönüşürücü kullanımı incelenmiş, MOSFET anahar kullanılması ile verimin yüksek olduğu espi edilmişir. Ancak deneimsiz yapılarda değişken iriş erilimi ve/veya değişken yüklerde sabi akımın sağlanamadığı örülmüşür. Son alarak verimi yüksek olan senkron dönüşürücüye PID deneleyici eklenmişir. Benzeim sonuçlarından PID deneimli senkron dönüşürücü ile konrol edilen seri bağlı LED armaürlerin her şara isenilen referans akımı sağladığı örülmüşür. Seri bağlı aydınlama armaürlerinde bir armaürün arızalanması durumunda diğer armaürlerin ekilenmemesi için rafolu bir yapı kullanılmışır. Trafoların erek maliyei ve erekse boyuları sebebi ile sonraki çalışmalarda alernaif çözümler araşırılabilir.. Kaynaklar [] Yeğin E. M., Bilin M. Z., Kocaeli Bölesi Sokak Aydınlamalarında LED Armaür Kullanımının Enerji Verimliliği ve Maliyeine Ekisi, II. Ulusal esisa Müh. Konresi, [] Bayrak T., Bilin M.Z., Alboyacı B., Gaz Deşarjlı Aydınlama Armaürleri ile LED Aydınlama Armaürlerinin Meydana Geirdikleri Harmonikler Açısından Kıyaslanması, Eleco. [3] S. Cha ; D. Park,; Y. Lee, e.al., AC/DC converer free LED driver for lihins,, IEEE In. Conference on Consumer Elecronics (ICCE), Berlin, [4] Rashid M., H., Power Elecronics Circuis Devices and Applicaions, Prenice Hall, Inc, 993. [] Erfidan,T.,Çoruh N., Ürün,S., DA-DA Boos Dönüşürücü Tasarımı ve Gerçeklenmesi,Eleco 8, [6] Baranwal, S. K., Para A., Culpepper B., Self Oscillain Conrol of a Synchronous DC-DC Buck Converer, 3lh Annul IEEE Power Elecronics Specialisrs Conference,4. Germany, [7] XU ZHANG, Diial Conrol Techniques for DC-DC Synchronous Buck Converers, Phd. hesis, Universiy of Colorado, [8] Sahin, M. E., "Senkron Buck Dönüsürücü ile Elekroliz Olayının Gerçeklesirilmesi", Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversiesi Fen Bil. Ensiüsü, Ankara, 6. [9] Aydoğdu Ö., Opimal-Tunin of PID Conroller Gains Usin Geneic Alorihms, Pamukkale Üniversiesi Mühendislik Fakülesi Müh. Bilimleri Derisi, [] Grassi E., Tsakalis K., PID Conroller Tunin by Frequency Loop Shapin, Proc.of he 3h Conference on Decision and Conrol, Japan, December 996 [] An K.H, Chon G,. PID Conrol Sysem Analysis, Desin and Technoloy, IEEE Transacions on Conrol Sysems Technoloy, July 9