Nghiên cứu tác động của phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau lên đối tượng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và đèn compact

Bài viết bàn về phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên trước đã phổ biến trên thị trường từ lâu nhưng lại gặp một số nhược điểm như gây ra nhiễu điện từ, và giảm tuổi thọ của đèn sợi đốt hoặc đèn compact. Tuy nhiên các nhược điểm này có thế khắc phục nhờ phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau. Mời các bạn cùng tham khảo!

Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Nghiên cứu tác động phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau lên đối tượng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang đèn compact Nguyễn Phan Kiên (1,*), Nguyễn Mạnh Cường (2), Hoàng Anh Dũng (3), Trần Đức Hưng (1), Đỗ Chí Hiếu (1) (1) Viện Điện tử Viễn thông, Đại học Bách Khoa Hà nội, (2) Học viện kỹ thuật Quân (3) Khoa Điện tử Viễn thông, Viện Đại học Mở Hà nội Email: knguyenp@gmail.com*1, cuong.tung@gmail.com2, kinhcan81@gmail.com3, tranhung201222@gmail.com1, dochihieu1994@gmail.com1 Abstract- Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên trước phổ biến thị trường từ lâu lại gặp số nhược điểm gây nhiễu điện từ, giảm tuổi thọ đèn sợi đốt đèn compact Tuy nhiên nhược điểm khắc phục nhờ phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau Khác với mạch điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên trước điều khiển dựa tín hiệu tương tự, mạch cắt mức lượng biên sau viết điều khiển dựa tín hiệu số Khi áp dụng phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau với loại đèn trên, tín hiệu đo oscillo cho thấy đèn sợi đốt đèn compact phù hợp với phương pháp đèn huỳnh quang chấn lưu từ áp dụng nhiều thiết bị điều chỉnh cho đèn, quạt trần,… Các điều chỉnh dạng thường rẻ lại có tuổi thọ khơng cao Ngun lý cắt mức lượng biên trước hình Keywords- điều chỉnh mức sáng, cắt biên sau, cắt biên trước, đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang, đèn compact Hình 2: Cắt mức lương biên sau I GIỚI THIỆU Mạch điều chỉnh mức sáng mục đích cuối điều khiển công suất cho tải tiêu thụ điện phương pháp phổ biến điều chỉnh mức sáng đèn chiếu sáng dân dụng dựa cắt mức lượng biên trước [6] Phương pháp sử dụng khóa điện tử Triac (thường kích Diac) cho dòng chạy qua thời điểm định sau điểm tín hiệu sin đóng dịng điện đảo chiều Việc điều chỉnh thời gian mở nửa chu kì dựa điều chỉnh thời gian phóng nạp tụ điện qua biến trở [5,6] Nguyên lý cắt mức lượng biên sau hình Phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa cắt mức lượng biên sau mà viết tập trung tới giải nhược điểm nói phương pháp cắt mức lượng biên trước (bao gồm sinh nhiễu điện từ giảm tuổi thọ bóng đèn) đồng thời chúng tơi khảo sát tác động phương pháp lên đối tượng đèn khác nhau, cụ thể đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang chấn lưu từ đèn compact chất loại đèn khác Cụ thể, với loại đèn sợi đốt tải coi tải trở đèn huỳn quang chấn lưu sắt từ đèn compact có dạng tải phi tuyến (vừa dạng tải cảm, vừa dạng tải dung tùy thuộc vào q trình phóng điện (khởi tạo ban đầu) trình ổn định đèn sáng) Trên thực tế, nghiên cứu cắt mức lượng biên sau thực số hãng giới áp dụng số loại đèn sợi đốt, đèn sử dụng biến áp điện tử [9] Và số nghiên cứu khác đưa khuyến nghị không sử dụng tải cảm động cơ, [5,6] Tuy nhiên, xét chất bóng đèn huỳnh quang đền compact đề cập đặc tuyến bóng dạng tải cảm dạng tải dung túy mà kết hợp hai dạng tải với đặc tính tải dạng phi tuyến Do đó, nghiên cứu khả ứng dụng đặc tính tải phi tuyến cần thiết cho việc khẳng định khả áp dụng phương pháp cắt mức lượng biên sau bóng đèn điện dạng (bóng đèn huỳnh quang chấn lưu sắt từ, bóng đèn compact, bóng đèn cao áp (natri metal halide), …) Do nửa chu kì dịng điện tăng vọt lên giá trị định vòng cỡ 1us, điều gây sốc nhiệt cho bóng sợi đốt làm giảm tuổi thọ bóng, đồng thời với bóng compact ln có tụ điện nạp với dịng điện có cường độ tăng nhanh nửa chu kỳ tượng làm giảm tuổi thọ bóng nhanh chóng [5] Thêm vào tăng vọt dịng điện lần Hình 1: Cắt mức lương biên trước đóng ngắt Triac gây nhiễu điện từ [5], nhiễu tăng lên đáng kể theo chiều dài dây nối từ tải tới mạch Trong thự tế, Nguyên lý cắt mức biên trước sử dụng Mạch điều chỉnh mức sáng đèn theo phương pháp thiết kế dựa nguyên lý: điều khiển đóng mở IGBT 456 456 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) vi điều khiển Atmega 16 dựa tín hiệu bắt điểm dịng điện Thời gian cho dòng chạy qua IGBT nửa chu kỳ dễ dàng điều chỉnh núm vặn, tác dụng điều khiển công suất giống phương pháp cắt biên trước Thêm vào phương pháp cho phép dòng qua IGBT tăng từ từ theo sườn hình sin, thời gian đóng IGBT kiểm sốt dễ dàng, điều làm giảm tối đa nhiễu điện từ sinh q trình đóng ngắt nửa chu kỳ II PD4 vi điều khiển thông qua opto (PC817, Sharp) Diode zenner (1N4744, General Semiconductor) TVS diode (P6KE400CA, Fairchild Semiconductor) giúp bảo vệ IGBT khỏi xung q áp Mỗi có tín hiệu ngắt đưa vào vi điều khiển (Atmega16, Atmel) từ mạch bắt điểm khơng, chân PD4 xuất tín hiệu mức cao kích cho driver mở IGBT, sau khoảng thời gian định (nhỏ 10ms), chân PD4 xuất tín hiệu mức CÁC VẤN ĐỀ QUAN TÂM TRONG THIẾT KẾ CHẾ TẠO MẠCH ĐIỀU KHIỂN Sơ đồ khối thiết kế hình Trong đó, nguồn cung cấp 220V, 50Hz lấy mẫu để xác định điểm không thông qua khối bắt điểm không Tin hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển, đồng thời tín hiệu xác định thời gian ngắt nửa chu kì đọc từ điện áp triết áp vào vi điều khiển Từ tín hiệu vi điều khiển xuất tín hiệu kích cho driver IGBT, từ khối cắt pha thực cắt mức lượng chảy vào tải Hình 4: Khối bắt điểm khơng thấp kích cho driver đóng IGBT Khi có tín hiệu ngăt ngồi q trình lại đc lặp lại Như thời gian dịng điện chảy qua tải nửa chu kì phụ thuộc vào thời gian delay, thời gian điều chỉnh triết áp thông qua chân ADC vi điều khiển Khối cắt pha hình Do IGBT đóng ngắt với dòng chiều nên để IGBT hoạt động bán kì âm dương ta cần cầu diode chỉnh lưu Hình 3: Sơ đồ khối mạch điều chỉnh mức sáng đèn dựa phương pháp cắt mức lượng sau Để bắt điểm khơng có nhiều phương pháp [2], phương pháp mà viết sử dụng dựa cầu diode hình Trong đó, nguồn AC đưa vào A1 A2 Sau chỉnh lưu qua cầu diode hạn bớt trở 100k đưa vào opto (PC817, Sharp) Opto giúp chuyển hóa dịng chỉnh lưu thành tín hiệu vào chân ngắt ngồi PD3 vi điều khiển Khi dịng điện chỉnh lưu opto khơng dẫn, từ PD3 mức cao chuyển sang mức thấp Về kiểm sốt thời gian đóng IGBT ta có nhiều cách bao gồm điều chỉnh dV/dt (bằng điện trở cực G mắc song song tụ điện cực G E) điều chỉnh di/dt (bằng cuộn cảm nhỏ cực E) [3,4] Cách thức sử dụng viết Hình 5: Khối driver cho IGBT khối cắt pha (gồm IGBT cầu diode) Mạch driver cho IGBT hình Trong cặp transistor kéo đẩy D468 B562 (Renesas) có vai trị đóng mở cho IGBT (FGA25N120ANTD, Fairchild Semiconductor) [1,7] Tín hiệu kích cho cặp transistor truyền từ chân dùng điện trở cực G Điện trở lớn thời gian đóng IGBT tăng Tuy nhiên điện trở không phép lớn thời gian đóng ngắt lâu đồng nghĩa với mát nhiệt IGBT lớn làm nóng IGBT [3,4,7] 457 457 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Cơng Nghệ Thơng Tin (ECIT 2015) Ta ước lượng thời gian đóng mở IGBT theo cơng thức [3]: Khi driver nhận tín hiệu mở, transistor D468 thơng transistor B562 đóng, lúc tụ 𝐶𝐶𝐺𝐺𝐺𝐺 nguồn nạp tới 15V thông qua điện trở R8 Do có trị số nhỏ, nên thời gian mở IGBT ngắn Khi driver nhận tín hiệu đóng, transistor B562 thơng transistor D468 đóng, lúc tụ 𝐶𝐶𝐺𝐺𝐺𝐺 xả qua điện trở R8 R9 nối tiếp Do tổng trở R8 R9 lớn, nên trình mở IGBT diễn chậm lại cỡ vài chục micro giây Lưu đồ thuật toán điều khiển vi điều khiển Atmega 16 trình bày hình Khi dòng điện xoay chiều từ nguồn 220V 0, tín hiệu ngắt ngồi gửi tới chân PD3 Khi Chân PD4 đưa lên mức cao để kích mở IGBT trạng thái giữ khoảng thời gian t ms, sau PD4 lại đưa mức thấp để đóng IGBT Tín hiệu điện áp chân PA0 đưa vào ADC để tính thời gian t tương ứng muốn delay 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡 dV = dt 𝑅𝑅𝑔𝑔 ∗ 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 V: điện áp cực C 𝑉𝑉𝑡𝑡𝑡 : điện áp plateau cực G (thường xấp xỉ 7V) 𝑅𝑅𝑔𝑔 : điện trở cực G 𝐶𝐶𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖 : dung kháng cực G E Trong mạch với mục đích làm cho thời gian đóng khơng nhanh, thời gian mở không cần chậm (do điện áp tăng từ từ sau điểm nửa chu kì) nên ta chọn điện trở R8 (22R) nhỏ, điện trở R9 (2k2) lớn Trong mạch điện ta nhìn đầu vào cực G IGBT tụ điện hình 6, thời gian đóng mở IGBT bị ảnh hưởng trực tiếp thời gian nạp xả tụ [1,8] III THỰC NGHIỆM ĐO ĐẠC VÀ KẾT QUẢ Mạch sau hoàn thành hình 8, cắm nguồn chưa cắm tải Để xác minh hoạt động mạch, ta sử dụng oscillo đo tín hiệu bắt điểm đưa vào chân PD3 vi điều khiển song song với tín hiệu điện áp 220V/50Hz, sau đo tín hiệu xuất từ khối driver IGBT điều chỉnh triết áp tăng từ đến 100% Kết đo hình hình Hình 6: Các dung kháng kí sinh IGBT Hình 8: Mạch hồn thành 10 phản ánh khối bắt điểm khối driver cho IGBT hoạt động tốt Hình 9: Tín hiệu bắt điểm đưa vào chân PD3 vi điều khiển (các xung có đỉnh 5V) Hình 7: Lưu đồ thuật toán điều khiển vi điều khiển 458 458 Thảo Quốc 2015vềvềĐiện ĐiệnTử, Tử,Truyền TruyềnThông Thông TinTin (ECIT 2015) HộiHội Thảo Quốc GiaGia 2015 Công CôngNghệ NghệThông Thơng (ECIT 2015) Hình 12: Điện áp đèn huỳnh quang chấn lưu từ điều chỉnh triết áp giảm dần từ 100% (thứ tự từ trái sang phải, từ xuống dưới) Hình 10: Tín hiệu xuất từ driver cho IGBT điều chỉnh triết áp tăng 0-100% (thứ tự từ trái sang phải, từ xuống dưới) Tiếp theo thực nghiệm đo đạc đầu với đối tượng đèn khác điều chỉnh triết áp giảm dần từ 100%, cụ thể bóng sợi đốt (25W/220V, Rạng Đơng), bóng huỳnh quang (18W/0.6m, Philips ) chấn lưu từ bóng compact (15W/220V, Rạng Đơng) Kết điều khiển cơng suất với bóng sợi đốt, bóng huỳnh quang chấn lưu từ bóng compact hình 11, 12, 13 tương ứng Hình 13: Điện áp đèn compact điều chỉnh triết áp giảm từ 100% (thứ tự từ trái sang phải, từ xuống dưới) -Với bóng sợi đốt, điều chỉnh triết áp giảm 100-0% thời gian có dịng chạy qua đèn nửa chu kì giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng bóng giảm từ tối đa Đèn tắt hẳn triết áp 0% -Với bóng huỳnh quang chấn lưu từ, điều chỉnh triết áp giảm từ 100% thời gian có dịng chạy qua đèn giảm theo, đồng thời độ sáng bóng giảm dần từ mức tối đa đến Đèn bắt đầu tắt hẳn triết áp chưa mức 0% Ngay sau thời điểm đóng IGBT nửa chu kì ln xuất xung ngược lớn, IGBT nóng nhanh hỏng sau thời Hình 11: Điện áp đèn sợi đốt điều chỉnh triết áp giảm dần từ 100% (thứ tự từ trái sang phải, từ xuống dưới) 459 459 Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) Hội Thảo Quốc Gia 2015 Điện Tử, Truyền Thông Công Nghệ Thông Tin (ECIT 2015) gian ngắn sử dụng Đồng thời nhiễu điện từ sinh lớn chí phát tiếng ồn sợi đốt bóng compact, tuyệt đối khơng thích hợp với bóng huỳnh quang chấn lưu từ -Với bóng compact, điều chỉnh triết áp giảm từ 100% thời gian có dịng chạy qua đèn gần khơng thay đổi, thay vào đường biên xuống nửa chu kì bị cắt vát giảm dần, dẫn tới điện áp cực đại giảm theo Cùng với giảm độ sáng đèn từ mức tối đa Đèn bắt đầu tắt hẳn triết áp chưa mức 0% Lời cảm ơn: Nhóm tác giả trân trọng cảm ơn cơng ty TNHH Công nghệ ứng dụng Bách Khoa (BKAT Co., Ltd.) hỗ trợ cho việc thực nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A.Mahesh Kumar, B R (2013) Design of fast switching IGBT driver for high rated modules American International Journal of Research in Science, Technology, Engineering & Mathematics , (2), 144-148 [2] Ankita Gupta, R T (2013) An Efficient Approach to Zero Crossing Detection Based On Journal of Engineering Research and Applications , (5), 834-838 [3] B Maurice, L W (1994, September) Drive circuits for power MOSFETs and IGBTs [4] Charreton, J M (1993, July) Soft light dimmer [5] Elliott, R (n.d.) Dimmers Retrieved august 2015, 18, from Elliott Sound Products: http://sound.westhost.com/lamps/dimmers.html [6] Engdahl, T (n.d.) Light Dimmer Circuits Retrieved August 18, 2015, from ePanorama.net: http://www.epanorama.net/documents/lights/lightdimmer.html [7] Hermwille, M (2008, November-December) The use of gate resistors to control IGBT switching [8] Rahul Chokhawala, J C Gate Drive Considerations for IGBT Modules El Segundo: International Rectifier Corporation [9] Philips (n.d.) Dimmer controllers Retrieved November 11, 2015, from Philips: http://www.lighting.philips.com/main/subsites/dynalite/products/load_controlle rs/dimmer_controllers.wpd IV KẾT LUẬN Dựa kết đo ta thấy dạng tín hiệu điện áp loại đèn khác Điều chất loại tải đèn khác nhau.Tín hiệu điện áp đèn sợi đốt phản ánh sát với lý thuyết phương pháp đèn tải trở Tín hiệu điện áp đèn huỳnh quanh chấn lưu từ dù có phần phản ánh lý thuyết lại xuất xung ngược lớn dội Điều thành phần cảm kháng chấn lưu lớn nên sau thời điểm đóng IGBT có xung cảm ứng điện từ dội IGBT Trong đó, bóng compact tải kết hợp RLC, dạng tín hiệu điện áp không phản ánh lý thuyết phương pháp điều chỉnh mức sáng Dù thời gian có dịng chạy qua bóng khơng thay đổi điều chỉnh triết áp thay vào thay đổi điện áp cực đại nửa chu kỳ, có hiệu điều chỉnh mức sáng Như phương pháp điều chỉnh mức sáng đèn dựa cắt mức lượng biên sau khuyến nghị sử dụng với bóng 460 460 ... khối mạch điều chỉnh mức sáng đèn dựa phương pháp cắt mức lượng sau Để bắt điểm nhiều phương pháp [2], phương pháp mà viết sử dụng dựa cầu diode hình Trong đó, nguồn AC đưa vào A1 A2 Sau chỉnh lưu... pháp điều chỉnh mức sáng Dù thời gian có dịng chạy qua bóng khơng thay đổi điều chỉnh triết áp thay vào thay đổi điện áp cực đại nửa chu kỳ, có hiệu điều chỉnh mức sáng Như phương pháp điều chỉnh. .. LUẬN Dựa kết đo ta thấy dạng tín hiệu điện áp loại đèn khác Điều chất loại tải đèn khác nhau.Tín hiệu điện áp đèn sợi đốt phản ánh sát với lý thuyết phương pháp đèn tải trở Tín hiệu điện áp đèn huỳnh