 |
BMe Kutatói pályázat |
|
Hegedűs János
BMe kutatói pályázat - 2019
III. díj
Villamosmérnöki Tudományok Doktori Iskola
BME Villamosmérnöki és Informatikai Kar, Elektronikus Eszközök Tanszéke
Témavezető: Dr. Poppe András
Teljesítmény LED-ek megbízhatósági és élettartam vizsgálata és modellezése
A kutatási téma néhány soros bemutatása
Kutatási munkám alapját a teljesítmény LED-ek erősen hőmérsékletfüggő működése jelenti. Alapos mérési és tervezési eljárások segítségével a LED-alapú fényforrások hatásfoka és megbízhatósága egyaránt tovább növelhető. A megbízhatóság vizsgálata és modellezése szintén a kutatási témám része. A végső cél egy olyan LED-modell felállítása, amelynek segítségével egy lámpatest mindenkori állapota már a tervezési idő alatt meghatározható.
A kutatóhely rövid bemutatása
Kutatómunkámat a BME Elektronikus Eszközök Tanszékének termikus laboratóriuma teszi lehetővé. A labor legfontosabb felszerelései közé tartozik két LED-mérő állomás a hozzá tartozó T3Ster termikus tranziens teszterrel és CAS 140CT spektroradiométerrel, egy Weiss WK3-340/70 klímakamra, egy standard LM-80-08 öregítő kamra és különféle termosztálási megoldások. A LED-ek mérése integráló fotométer gömb segítségével történik.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A LED-es világításra történő átállás terjedését (1. ábra) elsősorban a LED-ek kellő mértékben megnövekedett hatásfokának és fényhasznosításának köszönhetjük. A szilárdtest fényforrások alkalmazása azonban nem kevés technikai kihívás elé állítja a tervezőket és a gyártókat. Kulcsfontosságú feladattá vált a lámpatestek megfelelő hűtése, ugyanis a hőmérséklet növekedésével a LED-ek hatásfoka és várható élettartama is számottevő mértékben romlik. Elégtelen hűtés esetén nemcsak a LED-ek kerülnek sokkal kedvezőtlenebb munkapontba, de az eszköz öregedése is felgyorsul, ami a hatásfok további romlásával jár, valamint megnövekszik az eszköz hirtelen meghibásodásának valószínűsége is. A LED-es lámpák, lámpatestek tervezése a legtöbb esetben még mindig ökölszabályok alapján történik, és noha ezeket sok gyártó alapos tesztek alapján folyamatosan felülvizsgálja és igazítja, a céltudatos tervezés még mindig újabb és újabb előnyöket tartogat.
1. ábra: a „LED-esítés” hatása az utcaképre (balra) a nagynyomású nátriumlámpák élénksárga színei mellett (jobbra) [Forrás]
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
LED-ek termikus kérdéseinek tárgyalásakor gyakran a környezet hőmérsékletét határozzák meg, pedig a LED-ek nyitófeszültsége és fényárama a LED pn-átmenetének hőmérsékletétől függ, ez viszont a mai teljesítmény LED-ek esetében számottevően melegebb a környezetüknél. Sok esetben gyártói adatlapokban is fellelhető ez a probléma, de jellemzően akkor sem kapunk teljes képet a hőmérsékletfüggésről, ha a működési paraméterek a LED chip hőmérséklete függvényében szerepelnek. Ennek fő oka az lehet, hogy az úgynevezett izotermikus nyitóáram – nyitófeszültség – sugárzott teljesítmény-karakterizálás a jelenlegi szabványok mellett meglehetősen bonyolult és időigényes eljárás. Megfelelő és részletes modell szükséges azonban az olyan szimulációk elvégzéséhez, amelyekkel – a korábbi ökölszabályokat felváltva – meghatározható a LED-es lámpatestek üzemi hőmérséklete, fényárama, feszültsége, felvett teljesítménye.
A kutatási munkám során a cél egy olyan „Ipar 4.0” szemléletű tervezési megoldás alapjainak kidolgozása, amelynek segítségével nem csak a hőmérsékletváltozás határozható meg, de az eltelt üzemidő hatásait is kiküszöbölő vezérlés, vagyis a lámpatest fényárama akár a teljes élettartam során állandó értéken tartható. Ezáltal csökken a villamosenergia-fogyasztás, a várható élettartam pedig növekszik. Nem utolsósorban, javul a lámpa által nyújtott vizuális komfort, hiszen annak fényáramát nem kell 10–30%-kal túltervezni a későbbi fényáram-csökkenés kompenzálása érdekében.
Módszerek
Állandó nyitóáram értéken a lámpatest fényárama a hőmérséklet emelkedésével csökken. Ha a megkövetelt minimális fényáramot minden körülmény között teljesíteni kell, akkor a LED-ek nyitóáramát a várható legmelegebb hőmérsékletnek megfelelően kell beállítani. Az év túlnyomó részében viszont szükségtelenül nagy lesz a lámpatest fényárama, amely a villamos fogyasztást és a LED-ek öregedését indokolatlanul növeli és gyorsítja.
Ehhez hasonló helyzetet okoz a LED-ek öregedéséből fakadó, az eltelt üzemidővel folyamatosan tapasztalható fényáram-csökkenés. A mindenkor megkövetelt megvilágítási érték biztosítása érdekében a lámpát a kezdeti időpontban annyival kell túltervezni, hogy annak várható fényárama a tervezett csere idejére is a kritikus érték felett maradjon. Ez a teljes üzemidő alatt jelentős többletfogyasztást és az eszköz gyorsabb degradációját okozza.
A kutatott eljárás alapja a LED ún. multi-fizikai áramkör-szimulációs modellje [1], amely alkalmasan leírja az elektromos, termikus és optikai működési paramétereket és ezek egymásra hatásait. A modell része a LED-tok termikus kompakt modellje is, amelyhez folytonosan csatlakoztatható a mindenkori hűtőszerelvény termikus modellje. A Spice áramkör-szimuláció során a bemeneti áram és a környezeti hőmérséklet megadása után meghatározhatóak a lámpatestre szerelt LED(ek) üzemi paraméterei, a pn-átmenet(ek) hőmérséklete, a nyitófeszültség, a hatásfok, illetve az előbbiek alapján a sugárzott teljesítmény és a teljes fényáram.
A LED modell előállításához elsődlegesen a LED fentebb tárgyalt izotermikus karakterisztika-serege szükséges, amelyből alkalmas illesztési metódussal határozhatóak meg a modellparaméterek értékei.
A LED-ek öregítésére legelterjedtebben elfogadott módszert az IES LM-80-as leírás rögzíti, a teszt eredményeinek további extrapolálása pedig a TM-21-11-es eljárás – és az Arrhenius-egyenlet – segítségével lehetséges. Ezek eredményei és a LED kezdeti multi-fizikai modellje segítségével bizonyos elhanyagolásokkal már végezhetőek élettartam szimulációk, de az elvben pontos eredményeket az eltelt üzemidőtől függő modellparaméterek nyújtanák.
Eddigi eredmények
Lámpatest rendszer szintű szimulációja
Egy 48 LED-et tartalmazó köztéri lámpatest termikus kompakt modellje és az általam előállított LED-modellek segítségével elvégeztem a lámpatest rendszer szintű szimulációját (2. ábra). Ennek segítségével meghatároztam az üzemi fényáram és a felvett teljesítmény értékét a környezeti hőmérséklet és a nyitóáram függvényében. A rendszer szintű szimuláció fontossága belátható: a LED-ek termikus egymásra hatása miatt nem elegendő az egyedi LED-ek munkapontjának extrapolációja [2].
2. ábra: a PearlLight 48 lámpatest CAD-modellje a LED-ek pozíciójával (balra);
a lámpatestre szerelt CREE XPE LED-ek szimulált üzemi pn-átmenet hőmérséklete (a rácspontok megfelelnek a 6x8-as LED mátrix elemeinek)
Konstans fényáramú meghajtás és a lámpatest deszkamodellje
A nyitóáram-nyitófeszültség és a hatásfok karakterisztikák hőmérsékletfüggése miatt a LED-es lámpatestek üzemi fényárama a hőmérséklettel ellentétesen változik. A kapott eredmények alapján olyan vezérlési sémát dolgoztam ki, amely a hőmérséklettől független, állandó fényáramtartást biztosít (3. ábra) [3-7]. A vizsgált lámpatest egy, a gyártótól kapott példányának módosítása után a metódust terepi és laboratóriumi mérésekkel is igazoltam (4. ábra). A séma segítségével elérhető éves villamosenergia-megtakarítás becslésére esettanulmányt végeztem archív meteorológiai adatok segítségével (5. ábra). A megtakarítás mértéke erre a lámpatest típusra az üzem közben várható legmagasabb hőmérséklet függvényében 3-5%-ra adódott.
3. ábra: a lámpatest rendszer szintű szimulációinak eredménye, a nyitóáram és a hőmérséklet függvényében: a teljes üzemi fényáram (balra) és a felvett elektromos teljesítmény (jobbra) – a fekete görbék az állandó fényáramú vezérlést jelölik
4. ábra: a lámpatest sugárzott teljesítményének és fényáramának terepi (balra) és laboratóriumi, klímakamrában végzett (jobbra) mérési eredményei 24 °C-ra normálva, az állandó nyitóáramú és az okos vezérlés esetén
5. ábra: a lámpatest hőmérsékletfüggő fényáramának (balra) és felvett elektromos teljesítményének (jobbra) szimulációs eredményei, a Szombathelyen rögzített napi középhőmérsékletek alapján. Az állandó nyitóáramú meghajtás szinte a teljes év során a szükségesnél több fényáramot biztosít.
Konstans fényáram a teljes üzemidő alatt
A Luxeon Z LED minták LM-80-08 szabvány szerinti, tanszéken végzett öregítése során az előírt méréseken felül izotermikus feszültség – áram – optikai teljesítmény karakterisztikák mérése is megtörtént. A mérések eredményeit felhasználva előállítottam az öregített LED-ek multi-fizikai modelljeit, majd ezeket a fentebb tárgyalt köztéri lámpatest kompakt termikus modelljével teoretikusan egybeépítve megvizsgáltam az új és a virtuálisan öregített lámpatest üzemi karakterisztikáit.
A teoretikus lámpatest fényárama 8200 lumenre adódott a LED-ek névleges 700 mA közeli nyitóárama mellett. Az ehhez a fényáramhoz tartozó értékeket a 6. ábrán (jobbra) zöld (új) és piros (öregített), jelölőkkel is ellátott görbék mutatják. A lámpatest 6000 órás állapotában ~780 mA-es nyitóáram biztosítja a szükséges fényt, állandó áramú meghajtás esetén tehát legalább ezzel kell tervezni az új lámpatestet is. [7-10]
6. ábra: az új és öregített Luxeon Z LED-ek sugárzott teljesítmény görbéi (balra), és a belőlük virtuálisan épített lámpatest szimulált teljesítményfelvétele (jobbra), külön jelölve a 8200 lumenes értékeket
Az állandó fényáramtartást biztosító vezérlési megoldás segítségével a LED-ek üzemi pn-átmenet hőmérséklete is csökkenthető, amely számottevően növelheti a LED-ek várható élettartamát is. A publikációimban javaslatot tettem LED-ek új életciklus-vége feltételére: az öregedést is kompenzáló szabályozások esetén a fényáramtartás kritériumok (pl. L90) helyett javasoltam a fényhasznosítás-tartás (pl. ηv90) lehetőségét.
A pn-átmenet csökkentett üzemi hőmérsékletének köszönhető élettartam-növekedés vizsgálatára új elméletet dolgoztam ki [11], amelynek segítségével a változó hőmérséklet és nyitóáram függvényében vizsgálható a LED-ek mindenkori állapota, vagyis az öregedés folyamata. Az LM-80-08-as teszteredmények és a LED kezdeti multi-fizikai modellje segítségével elvi modellt készítettem egy teljes eszközélettartamra vonatkozó állandó fényáramtartó vezérlésre (7. ábra), illetve vizsgáltam ennek előnyös hatásait az energiamegtakarítást és a megnövelt élettartamot illetően (8. ábra).
7. ábra: egy teljesítmény-LED öregedésének (balra) és fényáramának (jobbra) modellezése állandó nyitóáram és állandó fényáram esetén, archív meteorológiai adatok alapján
8. ábra: a vizsgált LED-típus becsült fogyasztása és élettartama állandó nyitóáramú és állandó fényáramú meghajtás esetében
Modellparaméterek az eltelt üzemidő függvényében
A Luxeon Z LED minták öregített karakterisztikái segítségével előállítottam az eszköz eltelt üzemidőtől függő multi-fizikai modelljeit és megvizsgáltam a kapott modellparaméterek változását [12]. A 9. ábrán látható, hogy az 5 különálló LED-minta modellparaméterei igen hasonló trendet mutatnak; ezek a trendek azonban különböző öregedési mechanizmusok együtteséből adódnak (10. ábra). A vizsgálat fontos tanulsága, hogy a degradációs folyamatok pontosabb feltárásához és a modell időbeni extrapolációjához a Luxeon Z típus esetén nem elegendő a szabvány által minimálisan megkövetelt 6000 órás öregítési idő.
Ezen tapasztalatok felhasználásával újabb, szélesebb körű öregítési tesztet indítottam, melynek mérései jelenleg is folyamatban vannak. A tématerület további vizsgálata a jövőbeni kutatómunkám tárgyát képezi.
9. ábra: a multi-fizikai modell egy-egy modellparaméterének alakulása az eltelt üzemidő függvényében
10. ábra: az öregített Luxeon Z minták átlagolt nyitófeszültsége (balra) és hatásfoka (jobbra) az eltelt üzemidő függvényében
Várható impakt, további kutatás
Az általam végzett és továbbiakban tervezett kutatási munka jellemzője, hogy hazai és külföldi világítástechnikai és LED-fotometria területén jártas ipari partnerekkel (HungaroLux Light Kft., LightingLab Kalibráló Kft., Mentor – a Siemens business, Signify, Lumileds, PI-Lighting, stb.) való tudományos-technikai együttműködésen alapul (pl. Delphi4LED H2020 ECSEL projekt), ahol a munka tudományos hátterét a BME EET szilárdtest világítástechnikai kutatócsoportja és a BME EET termikus és megbízhatósági laboratóriuma jelenti. A tervezett további kutatásaim eredményei hasznos kiegészítésként szolgálhatnak a jelenleg is futó K 128315-ös számú NKFIH (OTKA) projekthez, illetve a tanszéken pályázott EIT Digital 2020-as, a PISEO, a Signify és a BME alkotta konzorcium Digital4LED (New Digital Flow For LED-based Product Development) projekthez, így a részeredmények akár azonnal felhasználhatóak lehetnek, ezzel visszacsatolást nyerve több vezető európai világítástechnikai nagyvállalattól (pl. Signify) is.
A 2017-es amszterdami THERMINIC konferencián közzétett eredményeink elismeréséül 2018. március 22-én a kaliforniai San Jose-ban vehettük át a „Harvey Rosten Award for Excellence” szakmai elismerést.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Kapcsolódó saját publikációk listája:
[1] Poppe András, Hegedüs János, Szalai Albin:
Multi-domain modeling of power LEDs based on measured isothermal I-V-L characteristics
In: anon (szerk.) Proceedings of the CIE Lighting Quality & Energy Efficiency Conference
Vienna, Ausztria: International Commission on Illumination (CIE), (2016) pp. 318–327. Paper: OP56, 10 p.
[2] Hegedüs János, Poppe András:
Simulation of luminaires based on chip level multi-domain modeling of power LEDs
In: Dariusz, Sawicki; Piotr, Pracki (szerk.) Proceedings of the VI. IEEE Lighting Conference of the Visegrad Countries LUMEN V4; New York, Amerikai Egyesült Államok : IEEE, (2016) pp. 59-64., 6 p.
[3] Hegedüs János, Hantos Gusztáv, Poppe András:
Embedded Multi-domain LED Model for Adaptive Dimming of Streetlighting Luminaires
In: András, Poppe (szerk.) Proceedings of the 22nd International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'16); Budapest, Magyarország: BME Elektronikus Eszközök Tanszék, (2016) pp. 208–212., 5 p.
[4] Hegedüs János, Horváth Péter, Hantos Gusztáv, Szabó Tamás, Szalai András, Poppe András:
A New Dimming Control Scheme of LED Based Streetlighting Luminaires Using an Embedded LED Model Implemented on an IoT Platform to Achieve Constant Luminous Flux at Different Ambient Temperatures
In: Matej, B. Kobav (szerk.) Proceedings of Lux Europa 2017; Ljubljana, Szlovénia: Lighting Engineering Society of Slovenia, (2017) pp. 87–92., 6 p.
[5] Hegedüs János, Poppe András:
Közvilágítási lámpatestek karakterizálása multi-domain LED modellekkel – a LED karakterisztikáktól a lámpatest üzemi fényáramáig
ELEKTROTECHNIKA 110: 3–4 pp. 13–20. (2017)
[6] Hegedüs János, Horváth Péter, Szabó Tamás, Szalai András, Poppe András:
A New Dimming Control Scheme of LED Streetlighting Luminaires Based on Multi-Domain Simulation models of LEDs in order to Achieve Constant Luminous Flux at Different Ambient Temperatures
In: P, Zwick (szerk.) PROCEEDINGS of the Conference on "Smarter Lighting for Better Life" at the CIE Midterm Meeting 2017; Vienna, Ausztria: Commission Internationale de l'Eclairage, (2017); pp. 267–276, 10 p.
[7] Hegedüs János, Hantos Gusztáv, Poppe András:
Light output stabilisation of LED based streetlighting luminaires by adaptive current control
MICROELECTRONICS RELIABILITY 79 pp. 448–456., 9 p. (2017)
[8] Hegedüs János:
LED-es lámpatestek többlet energia megtakarítási lehetőségei termikus és élettartam szempontokat figyelembe vevő, modell alapú tervezéssel
ELEKTROTECHNIKA 111: 6–7-8 pp. 21–26. , 6 p. (2018)
[9] Poppe, András ; Farkas, Gábor ; Gaál, Lajos ; Hantos, Gusztáv ; Hegedüs, János ; Rencz, Márta
Multi-Domain Modelling of LEDs for Supporting Virtual Prototyping of Luminaires
ENERGIES 12: 10 Paper: 1909, 30 p. (2019)
[10] Hegedüs János, Hantos Gusztáv, Poppe András:
LED-es lámpatestek modell alapú tervezése
In: Némethné dr. Vidovszky, Ágnes; Poppe, András (szerk.) Világítástechnikai Évkönyv 2018-2019; Budapest, Magyarország: MEE Világítástechnikai Társaság, (2019) pp. 83–89., 7 p.
[11] Hegedüs János, Hantos Gusztáv, Poppe, András:
Lifetime Iso-flux Control of LED based Light Sources
In: W, Luiten; J, Janssen; G, Martin (szerk.) Proceedings of the 23rd International Workshop on THERMal INvestigation of ICs and Systems (THERMINIC'17)
New York, Amerikai Egyesült Államok : IEEE, (2017); Paper_181 , 5 p.
[12] Hegedüs János, Hantos Gusztáv, Poppe András:
A step forward in lifetime multi-domain modelling of power LEDs
In: Proceedings of the 29th Session of the CIE; Vienna, Ausztria: International Commission on Illumination (CIE), (2019) pp. 1154–161., 8 p.
MTMT link a teljes publikációs listához
Linkgyűjtemény
T3Ster termikus tranziens teszter