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