Đang tải...

Cơ bản Hệ thống chiếu sáng dùng đèn Xenon và LED

Thảo luận trong 'Điện - Điện tử' bắt đầu bởi khoadongluc, 7/1/10.

Thành viên đang xem bài viết (Users: 0, Guests: 0)

  1. khoadongluc
    Offline

    Nothing Is Impossible
    Thành viên BQT
    Expand Collapse

    Tham gia ngày:
    17/3/09
    Số km:
    22,748
    Được đổ xăng:
    7,017
    Mã lực:
    2,289
    Giới tính:
    Nam
    Xăng dự trữ:
    30,240 lít xăng
    Hệ thống chiếu sáng dùng đèn Xenon và LED

    Đỗ Văn Dũng (1), Nguyễn Mạnh Hùng (2)

    1- Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

    2- Trường ĐH Công nghiệp TP HCM​

    Abstract

    This paper presents the application ligting systems Xenon and LED on automobile ligting system. Old automobile lighting system majority used Halogen lighting systems, this light have disadvantage a lot of energy consumption and low luminous flux, short working life. So tendency, people interchange incandescent lamp Xenon and LED lamp, they have lot of advantage ex low power consumption, high illuminating power, high life service…This thesis present solution intended for change old lighting system by new lighting system use Xenon and LED lamp.

    The High-Intensity-Discharge Lamps (HID), consisting of a broad range of gas discharge lamps, are notable for their high luminous efficacy, good color rendering, and long life. HID lamps have the best combination of the above properties and are considered the most ideal light sources. Recently, there has been an emerging demand to replace the conventional halogen headlamps with the newly introduced small-wattage metal halide HID lamps. However, this lamp demands a highly efficient ballast and very complex control circuitry. HID lamps emit light similar diurnal so decrease majority traffic accident night. HID lamps radiation small heat so small efect to ambient.

    HID lamp has its special acoustic resonance problem and thus a low-frequency unregulated full-bridge is used following the front-end DC/DC converter. To prevent from lamp re-igniting during each bridge commutation. In order to help design the converter, the ballast/lamp re-ignition analysis is presented. With this analysis, it shows that the output capacitance has to be small enough to ensure adequate current slope

    One of the major issues of ballast design is the ballast/HID lamp system stability. A new analysis approach. With this approach, it clearly shows how the control configurations and converter and control design affect the system stability. The results can provide guidance and be easily used in control configuration selection. Due to the complex lamp v-i profile and timing control requirements, control circuit built with conventional analog control. An automotive HID ballast with digital con troller is developed to demonstrate the feasibility. Results show that the microcontroller-based HID ballast can successfully realize the required control functions and achieve fast turn-on time of 8 seconds.

    “ Lighting system use Xenon and LED” has for applications all automobile today. So replacement this system in automobile will most decrease necessary energy to supply lamps.

    This paper presents the foundation of designing, model lighting system on foundation Xenon and experimental results. Current and voltage across minimum current 0.4(A) 85(V). Hence, this lighting system energy saver. Compare with halogen bulb is that little heat-generating.

    Tóm tắt

    Bài báo này giới giới thiệu ứng dụng đèn Xenon và LED vào hệ thống chiếu sáng trên xe ô tô.Trên hệ thống chiếu sáng cũ đa số là dùng đèn chiếu sáng Halogen, đèn này có nhược điểm tiêu thụ năng lượng lớn và thông lượng ánh sáng phát ra thấp, thời gian sử dụng ngắn. Vì vậy, xu hướng ngày nay người ta thay thế dần đèn dây tóc bằng loại đèn Xenon và LED có nhiều ưu điểm như tiêu thụ năng lượng ít, cường độ sáng lớn, tuổi thọ cao…Đề tài này đưa ra giải pháp nhằm mục đích chuyển đổi hệ thống chiếu sáng cũ sang hệ thống chiếu sáng dùng đèn Xenon và LED.

    Đèn Xenon phóng điện với cường độ cao (HID), biên dạng khí phóng lớn, chúng có hiệu suất phát quang lớn, phối hợp màu tốt và tuổi thọ cao. Đèn HID là sự kết hợp tốt của các đặc tính trên và được xem như là nguồn sáng lý tưởng nhất. Gần đây đã xuất hiện nhu cầu thay thế các bóng đèn halogen truyền thống bằng những bóng đèn HID công suất nhỏ. Tuy nhiên đèn này đòi hỏi một bộ tăng áp cao và có mạch điều khiển rất là phức tạp. Đèn HID cho ánh sáng giống như ban ngày nên giảm đáng kể tai nạn giao thông vào ban đêm. Đèn HID tỏa ra nhiệt nhỏ nên ít ảnh hưởng đến các thiết bị xung quanh.

    Đèn HID có một nguồn cộng hưởng đặc biệt, vì vậy ở tần số thấp không chỉnh lưu cầu thì sử dụng việc biến đổi DC/DC. Để ngăn cản việc đánh lửa lại kết hợp với chỉnh lưu cầu. Để thuận lợi cho việc thiết kế bộ biến đổi, phân tích sự đánh lửa được trình bày. Với sự phân tích này, chỉ ra rằng tín hiệu ra phải đủ nhỏ để đảm bảo hồi tiếp dòng phù hợp

    Một trong các kết quả chính của việc thiết kế ballast là độ ổn định của hệ thống HID. Một phân tích mới là dự kiến phân tích trạng thái ổn định. Với cách phân tích này đã chỉ ra cấu hình, biến đổi và thiết kế điều khiển ảnh hưởng tới trạng thái ổn định như thế nào. Kết quả có thể cung cấp điều khiển và có thể dễ dàng lựa chọn cấu hình điều khiển. Do đặc tính v-i của đèn phức tạp và yêu cầu điều khiển trễ, nên xây dựng mạch điều với mạch tương tự. Ballast HID ô tô với điều khiển bằng tương tự được phát triển đã chứng minh tính khả thi. Kết quả đã chỉ ra rằng ballast HID có thể thực thi hoá yêu cầu chức năng điều khiển và đạt được bật sáng ổn định trong vòng 8 giây.

    “ Hệ thống chiếu sáng dùng Xenon và LED” nhằm mục đích ứng dụng các loại đèn nêu trên vào trên tất cả các loại xe ô tô hiện nay. Vì khi thay thế hệ thống này vào xe sẽ làm giảm đáng kể về mặt năng lượng cần thiết để cung cấp cho đèn.

    Bài báo này trình bày cơ sở thiết kế chế tạo, mô hình hệ thống chiếu sáng trên cơ sở đèn Xenon và các kết quả thí nghiệm. Dòng điện và điện áp qua đèn Xenon nhỏ 0.4(A) 85 (V), Do đó, hệ thống chiếu sáng mới này tiết kiệm về mặt năng lượng cung cấp. So với bóng đèn dây tóc thì hệ thống chiếu sáng này tỏa nhiệt ít hơn.

    1. Giới thiệu

    Hệ thống chiếu sáng dùng Xenon đã được ứng dụng trên một số loại xe thế hệ mới nhưng rất hạn chế. Đã có nhiều công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trong lĩnh vực đèn phóng điện với cường độ cao HID nhưng chỉ đạt được một số kết quả nhất định, nguyên nhân chính là về vật liệu và dòng điện phóng. Việc tìm ra nguồn sáng mới này đã giải quyết được vấn đề về mặt năng lượng, độ bền, thông lượng sáng. Nước ta hiện nay còn tồn tại rất nhiều các xe thế hệ cũ dùng đèn Halogen. Do đó, việc thay thế hệ thống chiếu sáng này bằng hệ thống chiếu sáng dùng đèn phóng có cường độ cao HID là hết sức cần thiết.

    Ngoài việc tiết kiệm năng lượng hệ thống chiếu sáng mới này còn phát ra ánh sáng giống như ban ngày đã giúp giảm đáng kể tai nạn giao thông xảy ra trên đường vào ban đêm và giúp cho tài xế quan sát tốt hơn. Vì vậy, đề tài ứng dụng đèn Xenon và LED vào hệ thồng chiếu sáng được chọn để nghiên cứu. Các vấn đề nghiên cứu gồm có: Tính toán thiết kế ballast, chế tạo ballast, chế tạo mạch chiếu sáng.

    2. Nội dung

    Do đặc tính của đèn Xenon cần một điện áp cao ở trạng thái ban đầu để kích hoạt vì vậy cần phải có một bộ phận tăng áp để cung cấp điện áp cho đèn. Tuy nhiên, sự cung cấp điện áp cao này chỉ diền ra trong một khoảng thời gian ngắn nên phải thiết kế các mạch kiểm soát điện áp. Nếu điện áp cao cung cấp quá lâu sẽ dẫn đến hỏng đèn. Phần dưới đây sẽ trình bày việc tính toán và thiết kế bộ phận tăng áp HID cho đèn Xenon.

    2.1 Tính toán thiết kế ballast

    Dựa vào đặc tính của đèn Xenon: đèn trải qua 6 giai đoạn hoạt động: mở (bật T1=30 ms), đánh lửa (T2= 100 ns), quá dòng ( T3 = 300 μs), giữ nóng( làm ấm T4 = 20 ms), chạy nóng (T5 = 10 s) và trạng thái ổn định (T6 = 6 – 12 s).

    [​IMG]
    Hình 1. Đặc tính V-I trong tất cả các giai đoạn hoạt động của đèn [12]

    Ballast gồm hai phần chính: Biến áp: gồm hai biến áp, một biến áp nâng điện áp từ 12 VDC lên 23 kV, một biến áp nâng điện áp từ 12 VDC lên 85 V. Mạch điều khiển: điều khiển điện áp ra ổn định. Tần số dao động: Ta có: F=1/T. Với T = 0.7C4(R6+%VR)+0.7C4(R6+%VR)

    Mạch dao động gồm: C4, R6, VR1, R5, D1, D2, Fulse out1, Fulse out2, ngược pha nhau

    Mạch công suất: U1A, U1B: cổng đệm tín hiệu. Tr1: hướng Tr3, Tr4; Tr2: hướng Tr5, Tr6. Tính toán biến áp: Sơ cấp V1 = 12 VDC, Thứ cấp V2 = 85 VAC, Tần số f = 400 Hz, Số vòng dây cuộn sơ cấp:
    [​IMG]
    Trong đó: B: Từ thông; T: Chiều cao lõi; S: Diện tích mặt đáy lõi. Ta tính được số vòng dây N1= 400 vòng, thay vào công thức: U2/U1=N2/N1, N2 = 2.800 vòng

    2.2 Chế tạo ballast

    Một trong những hạn chế lớn của đèn HID là trạng thái ổn định hoạt động ở tần số cao vài kHz bị ảnh hưởng của nguồn cộng hưởng âm, mà nguyên nhân không ổn định hồ quang, chập chờn, dập tắt và thậm chí làm hư hỏng đèn. Hiện tượng cộng hưởng nguồn âm phụ thuộc vào hình dạng đèn, nhiệt độ khí và áp suất bên trong đèn. Phân tích đã chỉ ra rằng đèn HID công suất thấp này, không có vùng tần số cộng hưởng tự do vào khoảng 10 kHz tới 1 MHz. Hoạt động của chấn lưu đèn HID có thể MHz. Vì lý do này, chúng ta sử dụng tần số sóng vuông thấp AC để tránh vấn đề cộng hưởng âm. Vì vậy, hệ thống chấn lưu sử dụng mạch cầu sau khi biến đổi DC/DC. Sự lựa chọn tần số hoạt động mạch cầu là không phức tạp, vì nó không có chức năng điều chỉnh ở tất cả, tần số phải được thấp nhất có thể để giảm tổn thất chuyển đổi trong giai đoạn này. Thực tế là vài trăm Hertz (250 Hz đề nghị của nhà sản xuất). Trong thực tế, tần số là 400 Hz được lựa chọn.

    [​IMG]

    [​IMG]
    Hình 2. Sơ đồ hệ thống chấn lưu HID ô tô, mạch điện tương đương trong chỉnh lưu cầu

    Chúng ta thấy rằng chấn lưu cần làm việc ở các chế độ khác nhau tại những trạng thái khác nhau. Cụ thể, ở giai đoạn bật, chấn lưu cần tạo ra một điện áp ra chính xác và duy trì nó một khoảng thời gian cho đến khi bộ đánh lửa phát sinh ra xung Vì vậy, nó cần hồi tiếp điện áp ra và tạo cấu hình như kiểu điều khiển điện áp phản hồi. Sau giai đoạn giữ ấm, chấn lưu nên điều khiển dòng điện đèn và bộ tích hợp dòng cho một nửa sóng cho đến khi toàn bộ đạt đến giá trị đặt trước. Vì vậy nó cần mạch phản hồi dòng. Cuối cùng là giai đoạn chạy nóng và ổn định. Chấn lưu nên điều khiển đúng công suất của đèn. Đầu tiên công suất của đèn không thể vượt qua 75 W và dòng không thể vượt quá 2,6 A. Vì vậy điện áp ban đầu dưới 30 V. Chấn lưu nên giới hạn dòng ra để giá trị cho phép có thể lớn nhất cho đến khi công suất của đèn đạt đến 75 W và nó vẫn làm việc ở chế độ hồi tiếp dòng. Một lần nữa công suất của đèn trên 75 W. Chấn lưu nên được lập trình với bộ điều khiển công suất không đổi. Và công suất không đổi này nên được duy trì cho đến khi điện áp đạt được khoảng 50 V. Sau đó công suất của đèn dần dần giảm tới mức trạng thái ổn định 35 W. Vì vậy, trong hai trạng thái này, nó duy trì kiểu điều khiển hồi tiếp công suất và kiểu dòng hồi tiếp có thể tồn tại phụ thuộc vào điều kiện ban đầu của đèn. Kiểu điều khiển hồi tiếp công suất.

    Mạch được cấp nguồn 12 VDC lấy từ ác quy qua cầu chì 5A, sau đó được cấp tới IC LM7805 để tạo một điện áp ổn định 5 V. Đồng thời một bộ tạo dao động sẽ cấp xung tới để điều khiển hai transistor C1815, một bộ tạo dao động khác sẽ lấy tín hiệu từ hai transistor. Bộ tạo dao động này gồm bốn linh kiện mosfet. Bốn mosfet này sẽ đưa ra hai chân tín hiệu để cấp tới hai đầu cuộn dây sơ cấp của biến áp, mục đích là để tạo ra một điện áp xoay chiều 85 VAC ở hai đầu cuộn dây thứ cấp để cấp tới hai đầu của tải. Mạch điện bên phải ở dưới là mạch cảm biến dòng và áp, mục đích là để cảm nhận được tín hiệu ra xem đã đạt chưa. Đây là một mạch hồi tiếp, tín hiệu sẽ được gửi về liên tục để so sánh. IC 3843 được cấp nguồn 12 VDC, với chân số 8 là chân điện áp tham chiếu, chân số 6 sẽ điều khiển tín hiệu ra cho phù hợp sau khi IC nhận được tín hiệu hồi tiếp vào từ chân số 1
    .[​IMG]

    [​IMG]
    Hình 3. Sơ đồ biến đổi 12 DCV thành 85 ACV,400Hz

    Khi giá trị điện áp VGS ( điện áp giữa cực cổng và cực nguồn) nhỏ hơn điện áp ngưỡng VT thì dòng điện cực máng của mosfet loại kênh chưa có sẵn bằng 0. Khí giá trị điện áp VGS lớn hơn VT thì dòng điện cực máng quan hệ không tuyến tính với điện áp VGS: ID=k(VGS – VT)2

    K: hằng số

    Dựa vào đặc tuyến truyền đạt và đặc tuyến ra của mosfet, vì vậy chọn mosfet IRF 9549 và mosfet IRF 540, chúng có đặc tuyến ra có tần số phù hợp với yêu cầu. ID và VGS là các giá trị tại các điểm đặc biệt trên đường cong đặc tuyến của mosfet. k= ID/(VGS – VT)2

    Trong họ đặc tuyến ngõ vào với điện áp VCB cố định thì điện áp VBE tăng thì dòng điện IE cũng tăng. Qua khảo sát đặc tuyến ta thấy VBE= 0,7. Hệ số khuếch đại α = IC/IE. Trong đó IC và IE là dòng điện tại các điểm làm việc. IC=αIE + ICBO

    Với định luật ohm: Ii = Vi/Ri. Ta chọn điện trở ngõ vào, thì từ công thức trên ta sẽ tính được dòng điện. Nếu giả sử α =1 và có RL( tải), khi đó IL=Ii và VL=ILR. Cuối cùng ta sẽ tìm được hệ số khuếch đại điện áp và căn cứ vào hế số khuếch đại sẽ tìm được Transistor C1815.

    Dòng điện đỉnh (ngưỡng) của UC3843 được xác định bởi công thức: Ismax = 1.0 V/RS. 1mA ≤ IREF ≤ 20mA, 12V ≤ VCC ≤ 25V. Với dòng điện ra thấp, tần số dao động thấp. Độ khuếch đại được xác định: A= ∆Vpin1/∆Vpin3, với 0 ≤ Vpin3 ≤0,8. Kết hợp với đặc tính ra của IC, ta chọn UC3843

    2.3 Chế tạo mạch

    Sơ đồ hệ thống chiếu sáng được trình bày trên hình 5 gồm có mạch cảm biến sáng tối, mạch đổi pha thành cốt khi gặp xe ngược chiều, light control switch, dimmer switch, signal and hazard switch, bộ chớp, đèn xenon, còi, accu, công tắc máy và các đèn báo kích thước, đèn số lùi.

    Nguyên lý hoạt động: Khi bật công tắc máy, đồng thời bật công tắc light control switch ở vị trí head thì đèn đờ mi vẫn sáng bình thường và đồng thời dòng điện đi từ accu qua khoá, cầu chì, rơle đèn đầu làm cho đèn pha sáng. Nếu vào lúc trời tối mà tài xế quên bật đèn pha hay cốt thì tín hiệu từ cảm biến sáng tối sẽ bị tác động và cấp dòng đến làm cho đèn pha sáng lên. Ngoài ra khi xe đang bật đèn pha nếu gặp xe đi ngược chiều thì mạch cảm biến pha-cốt sẽ bị tác động và làm đóng rơle cấp nguồn tới công tắc dimmer switch làm thay đổi trạng thái pha sang cốt.

    [​IMG]
    Hình 4. Sơ đồ hệ thống chiếu sáng dùng đèn Xenon và LED


    2.4 Kết quả thử nghiệm

    Mục đích của thí nghiệm là đo điện áp đầu ra, tần số, dòng điện của bộ tăng áp HID và công suất của đèn.

    Mô hình thí nghiệm đèn Xenon: gồm có máy đo xung HAMEG instruments oscilloscope HM507, analoique nume’rique 50MHz, 1999; Đèn xenon; Ac quy; Đồng hồ VOM; Bộ tăng áp HID.

    [​IMG]
    Hình 5. Sơ đồ lắp đặt để đo xung đánh lửa qua đèn có đồng hồ VOM và oscilloscope

    Kết quả thí nghiệm đèn xenon

    Channel (chọn kênh): Kênh 1 (CH1): Var : 1, Volt/div: 20.000; Kênh 2 (CH 2): Var : 1, Volt/div: 20.000; Timebase (cơ sở thời gian): Time/div: 1.00 ms, Var: 1 (giá trị thay đổi 1 đơn vị); Input: DC; ADD: Chop (chọn dụng cụ là mỏ kẹp)
    - Kết quả : Cursor I : -44.000 V, Cursor II: 41.600V, CI-CII: -85.600 V, Tần số: 321.543 Hz

    [​IMG]
    [​IMG]

    Bảng kết quả thí nghiệm đèn xenon:




    [​IMG]


    3. Kết luận

    Kết quả thí nghiệm cho thấy việc ứng dụng đèn Xenon và LED vào hệ thống chiếu sáng trên ô tô hiện nay là cần thiết, không chỉ tiết kiệm về mặt năng lượng mà còn cho chất lượng ánh sáng giống như ban ngày, điều này sẽ giúp giảm thiểu tai nạn giao thông. Tuy nghiên để ứng dụng hệ thống chiếu sáng này một cách rộng rãi cần phải có sự quan tâm của các cơ quan chức năng một cách đúng mức. Hệ thống chiếu sáng này không chỉ ứng dụng ở trên ô tô mà còn có thể ứng dụng làm đèn đường, đèn cho các phương tiện đường sông đường biển. Nếu được áp dụng hệ thống chiếu sáng này một cách rộng rãi sẽ góp phần đáng kể trong công cuộc phát triển của đất nước.

    Trong đề tài này mới chỉ nghiên cứu việc thiết kế và chế tạo mạch tăng áp ở dạng tương tự nên việc kiểm soát thời gian đánh lửa điện áp cao vẫn còn dài, để đèn đạt được trạng thái ổn định mất từ 8 ÷12 giây. Chính sự kéo dài thời gian đánh lửa này đã ảnh hưởng tới tuổi thọ và thông lượng của đèn. Khi thời gian khởi động được rút ngắn lại sẽ tiết kiệm được năng đánh lửa. Nếu mạch tăng áp HID được thiết kế có sử dụng số vào thì sẽ rút ngắn thời gian đánh lửa cửa đèn và sẽ kiểm soát được đèn qua các trạng thái khác nhau một các chính xác nhất. Hướng phát triển tiếp theo của đề tài là rút ngắn thời gian để đèn đi vào trạng thái ổn định nhanh.


    Tài liệu tham khảo

    1. Abel B, Labahn, Pietzonka S (2000) System Development for Purpose-built Interior Lighting, ATZ Special Interior Partners.

    2. Alferdinck JWAM, Varkevisser J (1991) Discomfort glare from D1 headlights of different size Report IZF 1991 C-21, TNO Institute for Perception, Soesterberg, Netherlands.

    3. Akashi Y, Rea MS Peripheral detection while driving under a mesopic light level, Proceedings of the IESNA Annual Conference, Ottawa, IESNA, New York.

    4. Alanod (2005) company literature (Alferdinck JWAM (1996) Traffic safety aspects of high-intensity discharge headlamps; discomfort glare and direction indicator conspicuity.

    5. Adrian W Visibility for targets: model for calculation, Lighting Research and Technology

    6. Akashi Y, Rea MS (2001b) The effect of oncoming headlight glare on peripheral detection under mesopic light levels.

    7. Brown ID, Haslegrave CM and Taylor SPVision in Vehicles - V, North- Holland, Amsterdam.

    8. Donald D. Hoffman, Automotive Lighting and Human Vision University of California.

    9. Đỗ Văn Dũng, Trang bị điện- điện tử trên ô tô hiện đại. Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia 1999.

    10. Đỗ Văn Dũng, Hệ thống điện thân xe & Điều khiển tự động trên ô tô. Nhà Xuất Bản Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM 2006.

    11. Light’s Labour’s Lost: Policies for Energy Efficient Lighting, IEA, Paris, 2006.

    12. Yongxuan Hu, Analysis and Design of High-Intensity-Discharge Lamp Ballast for Automotive Headlamp. The Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University.​
     

    Bài viết khác:

Chia sẻ trang này