Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thông minh đèn led chiếu sáng tiết kiệm điện năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI/DỰ ÁN TÊN ĐỀ TÀI/DỰ ÁN: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thông minh đèn LED chiếu sáng tiết kiệm năng lượng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và

BÁO CÁO NGHIỆM THU ĐỀ TÀI/DỰ ÁN

TÊN ĐỀ TÀI/DỰ ÁN:

Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thông minh đèn LED chiếu sáng tiết kiệm năng lượng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, 06/2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ỦY BAN NHÂN DÂN THÀNH PHỐ SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Lê Minh Phương Đơn vị Chủ trì: Trường đại học Bách Khoa TP.HCM Đơn vị Quản lý: Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM

TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Ngày nay, với sự cạn kệt các nguồn năng lượng, việc sử dụng năng lượng tái tạo là nhu cầu thiết yếu không thể tránh khỏi nhằm giảm các tác động về môi trường và gánh nặng năng lượng hóa thạch Trên cơ sở lý thuyết các bộ biến đổi công suất, đề tài phân tích, thiết kế hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời và thích hợp sử dụng ở vùng sâu, vùng xa và biển đảo

Về phần cứng, đề tài đã thiết kế và thử nghiệm thành công các bộ biến đổi công suất

từ 8W đến 200W bao gồm các bộ điều khiển đèn led, bộ sạc Ngoài ra, hệ thống còn được tích hợp bộ điều khiển thông minh, kết nối bằng mạng Xbee có thể điều khiển theo nhiều chương trình Phần cứng được thiết kế riêng rẽ dạng khối, dễ dàng lắp đặt, kết nối và thay đổi cấu hình

Để đáp ứng nhu cầu tiết kiệm năng lượng và giảm khối lượng ăc quy lưu trữ, phần mềm điều khiển được tích hợp có khả năng kết nối và điều khiển cả hệ thống chiếu sáng từ xa, kết hợp với các giải thuật thay đổi công suất theo điều kiện tự nhiên, giúp

hệ thống có khả năng tiết kiệm đến 20% năng lượng tiêu thụ mà vẫn bảo đảm nhu cầu

về chiếu sáng

Đề tài đã nhận được những kết quả đáng kể, thông số kỹ thuật đạt được phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam, khả thi để sản xuất hàng loạt và áp dụng đại trà

SUMMARY OF RESEARCH CONTENT

Nowadays, due to the energy crisis, raising the need of using renewable energy in other to reduce the environmental impact and the burden of fossil energy Based on the theory of power converters, our studies analysis, design, and test the solar led lighting systems, which are suitable for using in island and rural areas

On the design of hardware, we have successfully researched and developed the 8W – 200W power converters including led drivers and chargers In addition, the systems were also integrated smart control mcu as as well as Xbee communication protocol serving for multi control programs, hardware was packaged in form of block modules benefited for installation and changing configuration

To meet the demand of saving energy and reducing the battery volume, the lighting control software can be able to connect, observe and control the lighting system remotely The power saving algorithm changes the led power under natural conditions helping to save up to 20% of energy consumption while ensuring the needs of lighting

MỤC LỤC

I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI 5

II Nội dung và tiến độ thực hiện 11

III Tự nhận xét và đánh giá kết quả đạt được trong kỳ đến báo cáo so với với hợp đồng và thuyết minh ban đầu: 14 IV Tình hình sử dụng kinh phí tính đến ngày báo cáo 15

V ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ KINH TẾ, XÃ HỘI CỦA ĐỀ TÀI, ĐẶC BIỆT NHẤN MẠNH PHẦN NỘI DUNG VÀ KINH PHÍ NGÂN SÁCH HỖ TRỢ 15

4 Bộ điều khiển đèn LED thông minh 18

5 Bộ sạc đa năng 19

6 Bộ biến đổi AC/DC 20

VI KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: 21

CHƯƠNG I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 24

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 25

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

1.3 Mục tiêu của đề tài 27

1.4 Kết quả đạt được của đề tài 27

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ LED DRIVE 29

2.1 Đặc tính LED chiếu sáng 29

2.2 Nguồn cấp cho LED với dòng điện không đổi 31

2.3 Phân loại các dạng Led Driver với dòng điện không đổi 31

2.4 Cấu trúc của LED Driver 34

2.5 Cấu hình Led Driver đề xuất 36

CHƯƠNG III THIẾT KẾ LED DRIVE CÔNG SUẤT ĐẾN 150W 38

3.1 Cơ sở tính toán thiết kế lựa chọn cấu hình 38

3.2 Thi công mạch Led Drive và thông số kỹ thuật 50

CHƯƠNG IV THIẾT KẾ SMART COTROL MODULE 60

4.1 Cơ sở thiết kế Smart Control Module 60

4.2 Thiết kế mạch module điều khiển 66

4.3 Thiết kế phần mềm giao tiếp và điều khiển 68

4.4 Mô tả sử dụng phần mềm 73

CHƯƠNG V THIẾT KẾ BỘ SẠC HYBRID 76

5.1 Sơ đồ khối bộ sạc Hybrid 76

5.2 Thiết kế bộ sạc Hybrid 79

5.3 Mạch bộ nguồn AC/DC từ lưới 87

CHƯƠNG VI THIẾT KẾ LED CẦM TAY 94

6.1 Thông số kỹ thuật mạch LED cầm tay 94

6.2 Thông số kỹ thuật mạch sạc Pin lion Bộ sạc cho pin Li-lon với MPPT 94

6.3 Thiết kế 3D 98

CHƯƠNG VII THIẾT KẾ VỎ THIẾT BỊ 99

7.1 Vỏ Led Driver và bộ sạc ắc quy 99

7.2 Vỏ tủ chứa ắc quy và bộ sạc 101

CHƯƠNG VIII KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 102

8.1 Giản đồ xung đóng ngắt 102

8.2 Thực nghiệm đo độ sáng 105

8.3 Thực nghiệm đo hiệu suất, 108

8.4 Thực nghiệm đo nhiệt độ 110

8.5 Kết quả thực nghiệm bộ sạc 112

8.6 Kết quả thực nghiệm giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 121

PHỤ LỤC 123

I THÔNG TIN CHUNG VỀ ĐỀ TÀI

1 Tên đề tài

Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thông minh đèn LED chiếu sáng tiết kiệm điện năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo

2 Thời gian thực hiện: 12 tháng

(Từ tháng 6/2015 đến tháng 06/2016)

3 Cấp quản lý: Thành phố  Cơ sở

4 Thuộc Chương trình

Chương trình chế tạo thiết bị, sản phẩm thay thế nhập khẩu

5 Tổng vốn thực hiện đề tài: 1.110 triệu đồng, trong đó:

- Từ Ngân sách sự nghiệp khoa học: 1.110

- Đơn vị chủ trì (tự có, huy động, khác…): 0

6 Chủ nhiệm đề tài

Họ và tên: Lê Minh Phương

Học hàm: Phó giáo sư Học vị: Tiến sỹ

Chức danh khoa học: Phó giáo sư Chức vụ: P.Trưởng P.TCHC Điện thoại: Đơn vị: 08-38687256 Nhà riêng: 08-62621441 Mobile: 0988572177

Fax: E-mail: lmphuong@hcmut.edu.vn

Tên đơn vị đang công tác: Trường Đại Học Bách Khoa-ĐHQG TPHCM

Địa chỉ đơn vị: 268 Lý Thường Kiệt, P14,Q10 TPHCM Điện thoại: 08-38647256

Địa chỉ nhà riêng: 156 Đường 79 P Tân Quy Q.7 TPHCM

6.1 Thư ký đề tài

Họ và tên: Nguyễn Thị Thu Sương

Địa chỉ nhà riêng: 180B ấp 3, xã Phước Lộc huyện Nhà Bè TPHCM

7 Đơn vị chủ trì thực hiện đề tài

Tên đơn vị chủ trì đề tài: Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG TPHCM

Họ và tên thủ trưởng đơn vị: Vũ Đình Thành

Điện thoại: 08.38636856 Fax: 08.38636984

E-mail: vdthanh@hcmut.edu.vn

Website: www.hcmut.edu.vn

Địa chỉ: 268, Lý Thường Kiệt, Phường 14, Quận 10, Tp.HCM

Số tài khoản: 3713.0.1056923

Tại Kho bạc Nhà nước Tp HCM

Tên cơ quan quản lý đề tài: Sở Khoa học và Công nghệ TP HCM

8 Các thành viên tham gia thực hiện đề tài:

(Số tháng quy đổi 1)

học Bách khoa Nghiên cứu cấu hình và

các giải thuật điều khiển

Tin Liên Lạc –

Bộ Quốc Phòng

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu Composite

12

Tử, Trường ĐHBK TPHCM

Nghiên cứu các giải thuật điều khiển và lập trình

12

Tử, Trường ĐHBK TPHCM

Nghiên cứu các giải thuật điều khiển và lập trình

12

Tử, Trường ĐHBK TPHCM

Nghiên cứu các giải thuật điều khiển và lập trình Thiết kế mạch điện tử công suất

12

Tử, Trường ĐHBK TPHCM

Thiết kế mạch điện tử công suất, thiết kế mẫu

12

Tử, Trường ĐHBK TPHCM

9 Tóm tắt Các nội dung theo đăng ký ban đầu của đề tài:

9.1 Các nội dung đăng ký ban đầu theo Thuyết minh và hợp đồng

Nội dung 1: Nghiên cứu, thiết kế chế tạo bộ điều khiển đèn LED công suất từ

30 W đến 150 W áp dụng cho hệ thống chiếu sáng công cộng và từ 3W đến 30W cho

hệ thống chiếu sáng dân dụng tích hợp giải thuật điều khiển thông minh tiết kiệm điện năng với chức năng điều khiển theo độ sáng và thời gian

Nội dung 2: Nghiên cứu thiết kế và chế tạo nguồn cung cấp với bộ sạc đa năng

đa chế độ có khả năng tự động lựa chọn chế độ sạc năng lượng điện từ nguồn điện lưới hoặc nguồn pin mặt trời (PV) vào ăc quy Trong đó phát triển giải thuật tìm công

suất cực đại của nguồn pin năng lượng mặt trời để hệ thống làm việc với hiệu suất cao nhất

Nội dung 3: Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tỏa nhiệt hiệu quả và vỏ bảo

vệ thiết bị từ vật liệu chống ăn mòn, oxy hóa trong môi trường nước mặn và độ ẩm cao đảm bảo 2 tính năng quan trọng: tỏa nhiệt tốt và đảm bảo kín ngăn cản sự xâm nhập và thẩm thấu của nước và không khí ẩm thông qua việc phân tích ảnh hưởng của môi trường biển đảo đến các thiết bị Điện- Điện tử

Nội dung 4: Nghiên cứu ứng dụng giải pháp bảo vệ bo mạch khỏi độ ẩm và

nhiệt độ cao trong giai đoạn thiết kế đảm bảo cho phép làm việc trong môi trường nóng ẩm

9.2 Sản phẩm đề tài

Bộ driver đèn LED 8W Input: 11 - 15V

Output: 14 – 15V Hiệu suất lớn nhất: 92.4%

1 Nhiệt độ phát sinh khi làm việc: 35 – 40 độ C

2 Độ rọi tại công suất định mức: 41 Lux

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Bộ driver đèn LED

50W

Input: 11 - 15V Output: 30 – 34V Hiệu suất: 94.5%

Kết nối và điều khiển không dây sử dụng Xbee

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Có thể tiết kiệm 20% năng lượng so với việc không áp dụng giải thuật điều khiển

Tương thích với cảm biến ánh sáng ngõ vào Analog 0 – 5V

Vỏ hộp: Nhôm nguyên khối, chống nước theo tiêu chuẩn IP54

Đã thử nghiệm làm việc liên tục 6 – 8h trong môi trường tự nhiên với các thông số

Nhiệt độ phát sinh khi làm việc: 35 – 40 độ C

Độ rọi tại công suất định mức: 50W: 334 Lux Dòng điện trên LED: Không sai lệch quá 5% so với dòng điện mong muốn

Bộ driver đèn LED

100W

Input: 23- 30V Output: 32 – 34V Hiệu suất: 94%

Tần số đóng cắt: 70kHz Tần số đóng cắt: 70kHz

Kết nối và điều khiển không dây sử dụng Xbee

Có thể tiết kiệm 20% năng lượng so với việc không áp dụng giải thuật điều khiển

Tương thích với cảm biến ánh sáng ngõ vào Analog 0 – 5V

Vỏ hộp: Nhôm nguyên khối, chống nước theo tiêu chuẩn IP54

Đã thử nghiệm làm việc liên tục 6 – 8h trong môi trường tự nhiên với các thông số

Nhiệt độ phát sinh khi làm việc: 35 – 40 độ C

Độ rọi tại công suất định mức: 586 Lux Dòng điện trên LED: Không sai lệch quá 5% so với dòng điện mong muốn

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Bộ driver đèn LED

150W

Input: 23- 30V Output: 32 – 34V Hiệu suất: 95%

đề tài

sáng, theo thời gian, điều khiển qua trung tâm điều khiển

Kết nối và điều khiển không dây sử dụng Xbee

Có thể tiết kiệm 20% năng lượng so với việc không áp dụng giải thuật điều khiển

Tương thích với cảm biến ánh sáng ngõ vào Analog 0 – 5V

Vỏ hộp: Nhôm nguyên khối, chống nước theo tiêu chuẩn IP54

Đã thử nghiệm làm việc liên tục 6 – 8h trong môi trường tự nhiên với các thông số

Nhiệt độ phát sinh khi làm việc: 35 – 40 độ C

Độ rọi tại công suất định mức:

150W: 680 Lux Dòng điện trên LED: Không sai lệch quá 5% so với dòng điện mong muốn

LAN

Phần mềm điều khiển: Web sever kết nối với phần mềm điều khiển trên điện thoại và cập nhật thông số các đèn

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Bộ điều khiển tiết kiệm

năng lượng

Input: 7 – 40V, 200mA MCU: Atmega 328 RTC: DS1307; battery backup CR2032 PWM diming: duty 0 – 100%, 1 kHz Analog input: 0 – 5V

Communication: Xbee Giải thuật điều khiển: điều khiển độ sáng theo thời gian, theo ánh sáng bên ngoài và điều khiển từ xa

Đạt thông số đăng ký

đề tài

máy tính bảng android Kết nối thông qua wifi, sử dụng cài đặt thông số và tắt

mở các đèn trong hệ thống

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Bộ biến đổi AC/DC Input: 150 – 230VAC

Output: 15V/30V Hiệu suất lớn nhất: 92%

Tần số đóng cắt: 40kHz Công suất lớn nhất: 500W Điều khiển ổn áp, hồi tiếp tuyến tính Bảo vệ quá dòng

Hiệu suất: trên 92%

Khả năng làm việc lâu dài: Đã thử làm việc liên tục 6 – 8h

Đạt chuẩn chống nước IP54

Đạt thông số đăng ký

 Giải thuật dò tìm công suất cực đại

 Giải thuật sạc ăc quy 3 trạng thái

 Giải thuật sạc ăc quy từ nguồn năng lượng mặt trời và nguồn lưới

Hiệu suất: trên 96%

Khả năng làm việc lâu dài: Đã thử làm việc liên tục 6 – 8h

Đạt chuẩn chống nước IP54 Sơn tĩnh tiện 2 lớp, chống ăn mòn Khả năng tỏa nhiệt tốt: nhiệt độ làm việc của thiết

bị dài hạn trong môi trường tự nhiên là 40 độ C

Đạt thông số đăng ký

đề tài

Chống nước mưa xâm nhập

Đạt thông số đăng ký

đề tài

II Nội dung và tiến độ thực hiện

STT Nội dung đăng ký Kết quả thực hiện Đạt (%)

1 Thiết kế chế tạo mạch

công suất cho bộ điều

Thiết kế chế tạo được 100%

khiển LED công suất từ 3W đến 30W:

- Thiết kế bộ DC/DC Buck converter

- Thiết kế mạch DC link

- Tính toán lựa chọn linh kiện bán dẫn

- Thiết kế chế tạo mạch lái drive cho mạch điện

tử công suất

mạch công suất cho:

- Đèn xách tay công suất đến 8W

- Đèn trong nhà công suất 8W đến 30W

2 Thiết kế chế tạo mạch

công suất cho bộ điều khiển LED công suất từ 30W đến 150W:

- Thiết kế bộ DC/DC Buck converter

- Thiết kế mạch DC link

- Tính toán lựa chọn linh kiện bán dẫn

- Thiết kế chế tạo mạch lái drive cho mạch điện

tử công suất

Thiết kế chế tạo được mạch công suất Drive 30W và đến 150W cho phép điều khiển đèn LED từ 30W đến 150W

100%

3 Thiết kế chế tạo hệ thống

tản nhiệt cho mạch công suất cho bộ điều khiển LED công suất từ 3W đến 30W và từ 30W đến 150W

- Tính toán lựa chọn vật liệu tản nhiệt

- Lựa chọn kích thước, công suất quạt làm mát

- Tính toán thiết kế tản nhiệt đạt tiêu chuẩn nhiệt độ ổn định lớn hơn nhiệt độ môi trường 5-7oC khi đầy tải

100%

4 Thiết kế mạch hiển thị

bằng LCD hoặc LED cho bộ điều khiển LED công suất từ 3W đến 30W và từ 30W đến

Mạch hiển thị công suất và chế độ sạc ăc quy

100%

150W

- Thiết kế chế tạo mạch điều khiển hiển thị LCD trên cơ sở PIC 16F723

- Lập trình hiển thị LCD

5 Nghiên cứu thiết kế chế

tạo mạch điều khiển DSP

- Phân tích tính năng và lựa chọn các vi điều khiển, IC

- Khảo sát, lựa chọn IC điều khiển từ các hãng

TI, Power Intergram on semiconductor

- Thiết kế chế tạo DSP TI: Piccolo

TMS320F28027 hoặc Piccolo TMS320F28069

6 Nghiên cứu thiết kế

mạch điều khiển cho DC/DC converter

- Thiết kế chế tạo mạch giao tiếp MCU UC 3843

- Thiết kế mạch cảm biến và hồi tiếp

Mô tả đặc tính của IC MCU UC 3843

độ sáng khác nhau:

- Lập trình giải thuật điều khiển đèn theo độ sáng môi trường

- Giải thuật điều khiển theo thời gian hoặc lịch

Sơ đồ điều khiển dạng Dim theo:

định sẵn

8 Nghiên cứu giải pháp ổn

dòng cho các bộ biến đổi Buck converter, Boost converter - Buck converter:

- Giải thuật điều khiển tối ưu trong trường hợp:

- Ắc quy đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng

- Ắc quy không đảm bảo cung cấp đầy đủ năng lượng hoặc đã cạn

Giải thuật điều khiển

xả nạp Ắc quy tối ưu

từ điện áp ngõ vào DC pin mặt trời

Bộ chỉnh lưu AC/DC với chức năng chỉnh lưu điện

áp AC 220V sang điện

áp DC

Mạch công suất AC/DC

Mạch công suất DC/DC

Mạch điều khiển MPPT và 3 chế độ

Đã thiết kế hoàn chỉnh 02 bộ sạc ắc quy và Pin từ lưới và PV có chức năng tìm điểm công suất cực đại

- Hiệu suất đạt đến 92% lớn hơn các thiết bị của TQ

- Nhiệt độ các phần tử công suất đều nằm trong tiêu chuẩn cho phép và thấp hơn các sản phẩm tương tự của nước ngoài

3 Về tiến độ:

Đảm bảo đúng tiến độ theo hợp đồng

4 Các vấn đề khác:

Đang tiến hành thực hiện đăng ký sở hữu trí tuệ

IV Tình hình sử dụng kinh phí tính đến ngày báo cáo

1 Kinh phí ngân sách:

a Tổng kinh phí được duyệt 1.100 triệu đồng

 Tổng kinh phí đã cấp: 995 triệu đồng

 Kinh phí đã sử dụng: 995 triệu đồng

 Kinh phí chưa sử dụng: 0 triệu đồng

b Kinh phí đã quyết toán từ đầu đến kỳ báo cáo (đạt 100 % tổng kinh phí đã cấp): Chín trăm chín mươi lăm triệu đồng

2 Kinh phí đã chi từ nguồn khác 0 triệu đồng

V ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ VỀ KINH TẾ, XÃ HỘI CỦA ĐỀ TÀI, ĐẶC BIỆT NHẤN MẠNH PHẦN NỘI DUNG VÀ KINH PHÍ NGÂN SÁCH

HỖ TRỢ

Qua quá trình thiết kế, và lựa chọn linh kiện, khảo sát thông số thiết kế Các thiết kế đạt chất lượng kĩ thuật linh kiện dễ dàng mua ở Việt Nam, vì vậy có thể phát triển công nghệ thiết kế hàng loạt trong điều kiện Việt Nam Giá thành cạnh tranh so với sản phẩm cùng loại của các hãng nổi tiếng Các thống kê về giá tiền linh kiện của các sản phẩm thiết kế như sau:

1 Bộ LED driver 8W Đơn vị tính: VND

STT Loại linh kiện Ký hiệu Footprint

Số lượng Đơn giá

Thành tiền

2 Bộ LED driver 50W Đơn vị tính : VNĐ

STT Loại linh kiện Ký hiệu Footprint

Số lượng Đơn giá

Thành tiền

3 Bộ LED driver 100/150W Đơn vị tính : VNĐ

STT Loại linh kiện Ký hiệu Footprint

Số lượng

Đơn giá

Thành tiền

4 Bộ điều khiển đèn LED thông minh

Số lượng

Đơn giá

Thành tiền

Đơn giá

Thành tiền

1 Cap Pol C1, C3, C8, C12, C16, C17 RADIAL C 6 500 3000

2 Cap Non-pol C2, C4, C13, C14, C15, C18, C19, C24, C25 C-NP-0805 9 500 4500

3 Cap Pol C5, C6, C7, C9, C10, C11 RADIAL F 6 500 3000

6 Bộ biến đổi AC/DC

STT Tên linh kiện Ký hiệu Footprint

Số lượng Đơn giá Thành tiền

13 Diode Bridge D6 Diode Bridge 5-10A 1 5000 5000

14 ES1JL,SMF D9 DO-214AC (SMA) 1 500 500

15 BYG20J D10 DO-214AC (SMA) 1 500 500

19 1mH 100mA L1, L2 L D9H12 2 2000 4000

20 10 uH 10 % 30 A L? 1 15000 15000

21 Connect INDUCTOR P1, P2 Test Point TH - 2 2 2000 4000

22 AC IN P3, P4 Terminal Block 2 pins 2 2000 4000

- Chi tiết hóa thiết kế toàn bộ bộ nguồn linh hoạt từ khâu thiết kế nguyên

lý, thiết kế mạch layout cho đến khi thi công, kết hợp mô tả chi tiết tính toán các phần tử, linh kiện trong thiết bị

- Thiết kế bộ LED Driver từ các bộ phận riêng rẽ ở dạng khối như mạch DC/DC, buck, boost sử dụng cho các ứng dụng biến đổi điện áp DC, sạc ắc quy

Vì vậy dễ dàng trong việc lắp đặt và kết nối

Để kiểm tra các đặc tính kỹ thuật của các thiết bị thiết kế, nhóm nghiên cứu

đã tiến hành phân tích giản đồ đóng ngắt các linh kiện, đo lường công suất, hiệu suất, sự thay đổi của nhiệt độ, độ sáng của Led Driver, đo lường công suất, hiệu suất của bộ sạc và hiệu quả của giải thuật MPPT Kết quả thực nghiệm cho thấy:

- Các bộ biến đổi công suất sử dụng trong đề tài đều có giản đồ xung đóng ngắt phù hợp với thông số kỹ thuật về điện áp và dòng điện của các linh kiện bán dẫn và vì vậy cho hoạt động an toàn trong dải thông số định mức

Chất lượng của các Led Driver được thể hiện trong thực nghiệm đo độ sáng của đèn Led: Độ rọi của đèn được điều khiển thay đổi tuyến tính với dòng điện bằng các Led Driver phù hợp với lý thuyết

- Hiệu suất của LED Driver đạt 93%-96% ứng với tải từ 50%-100% Hiệu suất của LED Driver đạt 86%-93% ứng với tải từ 20%-50% phù hợp với mục tiêu thiết kế ban đầu

- Nhiệt độ Drive Led tăng hơn so với nhiệt độ môi trường khoảng 40C , nhiệt độ của đèn Led tăng hơn so với nhiệt độ môi trường khoảng 60C

- Bộ sạc đạt hiệu suất 88%-91% khi điện áp lưới 180V-220V và tải 100%

30% Thực nghiệm với phương án điều khiển độ sáng theo giải thuật tiết kiệm năng lượng thì có thể tiết kiệm đến 21% công suất

- Bộ LED Driver có thể làm việc hiệu quả và tin cậy trong toàn dải tải định mức, mức điện áp ngõ ra thay đổi

- Bộ sạc đa chức năng, tích hợp khả năng sạc nhanh từ lưới và tiết kiệm năng lượng khi sạc từ pin mặt trời, bảo đảm độ bền của ắc quy cũng như bảo đảm

ắc quy luôn trong tình trạng sẵn sàng sử dụng

- Từ những phân tích về tình hình nghiên cứu trong nước, tình hình chung trong việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và nhiệm vụ chiến lược phục

vụ Trường sa nhận thấy, việc nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển thông minh đèn LED chiếu sáng tiết kiệm điện năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo là rất cần thiết Thành công của đề tài sẽ giúp làm chủ công nghệ chế tạo và chủ động trong việc sửa chữa lắp đặt và không phải phụ thuộc vào thiết bị nhập

- Đề tài NCKH sẽ góp một phần vào kế hoạch Đào tạo, xây dựng và phát triển đội ngũ cán bộ kỹ thuật cho lực lượng Hải quân Việt Nam để có thể tiếp nhận

và làm chủ công nghệ, tạo cơ sở vật chất để tham gia giải quyết các bài toán thực

tế, kết hợp với cán bộ kỹ thuật của lực lượng Hải Quân nghiên cứu thiết kế các thiết bị phục vụ cho chiến đấu tại đảo

5.2 Kiến nghị

Đề tài đã nhận được những kết quả đáng kể, thông số kỹ thuật đạt được phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam và quốc tế Ngoài ra, các linh kiện dễ dàng mua ở Việt Nam, vì vậy có thể phát triển công nghệ thiết kế hàng loạt trong điều kiện Việt Nam

Kết quả đề tài có thể sử dụng làm tiền đề phát triển thiết kế Led Driver công suất lớn và Led Driver thông minh

CHƯƠNG I TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, chiếu sáng bằng đèn LED là một công nghệ xanh và tiết kiệm đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng Đèn LED có những ưu điểm như giảm chi phí bảo dưỡng, tuổi thọ cao, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 50%-70% so với loại đèn thông thường Trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng, trong các công trình kiến trúc, trong hệ thống công nghiệp các sân thể thao, đèn LED trắng công suất lớn đã được đem vào sử dụng Lợi ích của LED là sự thân thiện và bảo vệ môi trường, nó được ứng dụng đặc biệt cho chiếu sáng nhà xưởng sản xuất, khu công nghiệp, khu chế xuất, kho hàng, bến bãi, nhà máy, cửa hàng, siêu thị, nhà thi đấu [1],[2]

Nhu cầu chiếu sáng dân dụng ngày càng cao và vì thế những dòng sản phẩm đèn có công suất từ 3W đến 150W mang lại hiệu suất ánh sáng mạnh đã ra đời và thay thế những dòng sản phẩm truyền thống tốn chi phí mà chất lượng ánh sáng giảm nhanh

Tiềm năng về năng lượng tái tạo ở Việt nam được đánh giá là rất khả quan: năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền Bắc Bên cạnh đó, các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời đặc biệt hữu ích trong việc cung cấp điện cho các vùng xa xôi như miền núi hoặc hải đảo - nơi thường có tiềm năng cao về loại năng lượng này - khi việc cấp điện cho các nơi này từ lưới điện quốc gia là rất khó khăn đôi khi là không thể Đèn LED tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều so với việc sử dụng đèn thủy ngân cao áp công suất (250-300W), và đèn huỳnh quang (36-40W), nên rất phù hợp với nguồn năng lượng điện mặt trời Vì vậy việc nghiên cứu như áp dụng công nghệ điều khiển thông minh nhằm sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời là rất cần thiết

Mặc dù tiềm năng về năng lượng mặt trời rất lớn, nhưng hiện nay tại Việt Nam chưa tự sản xuất các bộ nguồn điều khiển đèn LED sử dụng năng lượng mặt trời và đặc biệt chưa có sản phẩm nào chuyên dụng phù hợp với chế độ làm việc trong điều kiện biển đảo với khí hậu nóng ẩm và thâm nhập của nước biển

Trong nước, những bộ nguồn điều khiển ứng dụng cho đèn LED vẫn chưa được nghiên cứu thiết kế một cách tổng thể nhằm sử dụng triệt để những thế mạnh của đèn LED như khả năng điều khiển độ sáng theo nhu cầu nhằm giảm điện năng tiêu thụ nâng cao hiệu suất của hệ thống

Hiện nay, trên các đảo như Trường Sa, Côn Đảo, Phú Quý… được lắp đặt

hệ thống nguồn năng lượng mặt trời vẫn phải sử dụng thêm nguồn cung cấp từ các Diesel vì không có điện lưới quốc gia Để đảm bảo độ tin cậy cũng như nâng cao tính linh hoạt khi nguồn cung cấp thay đổi cần phải nghiên cứu thiết kế chế

tạo hệ thống điều khiển đèn LED có thể làm việc với cả hai nguồn: điện lưới và năng lượng mặt trời kết hợp

Do điều kiện môi trường rất khắc nghiệt nóng ẩm, gió bão và sóng biển nên

vỏ các thiết bị điện bị ăn mòn, và bị ô xi hóa, các mạch điện tử và linh kiện bán dẫn đều nhập ngoại từ nước ngoài hoặc Trung Quốc không phù hợp với điều kiện khí hậu biển đảo và rất dễ bị hư hỏng Vì vậy việc ứng dụng lắp đặt hệ thống cung cấp điện từ năng lượng mặt trời trên các đảo là rất khó khăn Ngoài ra, vì không làm chủ được công nghệ thiết kế các hệ thống này nên công việc bảo trì bảo dưỡng, thay thế thiết bị không hiệu quả Việc thiết kế các bộ điều khiển có khả năng làm việc trong môi trường biển đảo chống khả năng ăn mòn và chống sự thâm nhập của nước là rất cần thiết

1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

- Việc nghiên cứu ứng dụng LED cho hệ thống chiếu sáng cấp nguồn từ năng lượng mặt trời được phát triển rộng rãi từ nhiều năm Trong đó, hướng thiết

kế chế tạo các bộ điều khiển được nhiều nhà nghiên cứu đặc biệt quan tâm Trong [3] đã trình bày việc thiết kế bộ nguồn hiệu suất cao cho đèn LED thay thế đèn thủy ngân cao áp trong chiếu sáng đường phố, làm giảm mức tiêu thụ điện năng

mà vẫn đảm bảo độ sáng yêu cầu Trong [4] tác giả đã trình bày sơ đồ thiết kế bộ

tự động điều khiển đèn LED theo ánh sáng và theo thời gian Mạch chủ yếu sử dụng linh kiện analog

- Bài báo [5], [6] trình bày hệ thống chiếu sáng đường phố bằng LED sử dụng năng lượng mặt trời và không sử dụng lưới điện Hệ thống được đề xuất bao gồm PV, hệ thống lưu trữ năng lượng điện, đèn LED, hệ thống kiểm soát năng lượng và hoạt động của hệ thống

- Hãng Power Intregration đã sản xuất và đưa ra thị trường nhiều IC LED driver để thiết kế chế tạo các bộ nguồn cấp cho đèn LED với các dải công suất khác nhau

Đánh giá về tình hình nghiên cứu ngoài nước

- Việc nghiên cứu chế tạo các bộ điều khiển LED ở nước ngoài được nghiên cứu từ lâu nên đáp ứng công nghệ ở tầm cao Tuy nhiên, chưa có công trình nào nghiên cứu tổng thể việc ứng dụng trong điều kiện khí hậu khắc nghiệt

và tích hợp nhiều chức năng: tự động điều khiển theo độ sáng, đồng thời ứng dụng cho cả nguồn Pin mặt trời và lưới, tìm điểm công suất cực đại

1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

- Một số nghiên cứu về bộ nguồn nói chung và nguồn cho LED nói riêng được đề cập ở các PTN ĐHBK Hà nội Tuy nhiên các nghiên cứu về đèn LED mới chỉ được trình bày ở dạng lý thuyết cơ bản chưa nghiên cứu sâu về vấn đề thiết kế chế tạo và chưa có sản phẩm cụ thể [1] Các nghiên cứu này cũng chưa đề cập đến vấn đề điều khiển tiết kiệm điện năng và vấn đề nâng cao độ tin cậy[2]

- Nhóm nghiên cứu thuộc PTN “Nghiên cứu Điện tử công suất” của chủ nhiệm đề tài đã thiết kế thành công bộ nguồn trong dân dụng từ đề tài NCKH năm 2013 “Nghiên cứu thiết kế bộ nguồn dự phòng linh hoạt cho dân dụng” Bộ nguồn dự phòng có đặc điểm là không sử dụng biến áp AC/AC vì vậy hiệu suất cao đến 92% [3]

- Tất cả các bộ nguồn điều khiển LED trên thị trường đều nhập ngoại và đi kèm với đèn LED theo dạng modun vì vậy khi hư hỏng bộ phận điều khiển không thể sửa chữa, chỉ có thể thay thế thiết bị mới đúng chủng loại [2] Sản phẩm trên thị trường chủ yếu được nhập từ Trung Quốc và Đài Loan chỉ sử dụng trong dân dụng và chỉ có thể làm việc trong điều kiện khí hậu đất liền

Đánh giá về tình hình nghiên cứu trong nước

- Chưa có các nghiên cứu về vấn đề điều khiển tiết kiệm điện năng trong

hệ thống chiếu sáng đèn LED cấp đồng thời từ nguồn năng lượng mặt trời và từ lưới

- Chưa có nghiên cứu nào quan tâm đến về vấn đề sử dụng các bộ điều khiển trong điều kiện môi trường khắc nghiệt như độ ẩm cao, bị thâm nhập bởi nước biển, nhiệt độ cao Vì vậy, rất cần nghiên cứu các giải pháp nhằm bảo vệ các thiết bị điện-điện tử khỏi ảnh hưởng trực tiếp từ môi trường này Hiện nay tất cả dòng sản phẩm drive tại Việt Nam đều được nhập khẩu nguyên bộ hoặc dưới dạng linh kiện từ nước ngoài Các bộ nguồn này thường hoạt động với 01 loại nguồn: hoặc là nguồn lưới hoặc là nguồn pin mặt trời

Qua tra cứu tài liệu, hiện tại chưa có đơn vị nào trong và ngoài nước nghiên cứu công nghệ tích hợp bộ sạc ắc quy đồng thời từ nhiều nguồn cung cấp (lưới và pin mặt trời) có kết hợp với bộ biến đổi trong bộ nguồn linh hoạt Chính vì thế, yêu cầu cho ra đời driver có khả năng làm việc với nguồn lưới, nguồn pin mặt trời đồng thời

1.3 Mục tiêu của đề tài

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống điều khiển thông minh đèn LED công suất từ 30 W đến 150 W áp dụng cho hệ thống chiếu sáng công cộng

tiết kiệm điện năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời với việc tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo Hệ thống tự

động điều khiển công suất tiết kiệm năng lượng tích hợp giải thuật điều khiển tiết

kiệm điện năng theo độ sáng yêu cầu và theo ánh sáng tự nhiên giảm mức tiêu thu

điện năng 20-30% so với định mức và hệ số công suất đạt trên 0.9 Hệ thống này

có thể làm việc độc lập với lưới hoặc sử dụng lưới, tùy thuộc vào người sử dụng

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống điều khiển thông minh đèn LED công suất từ 3 W đến 30 W áp dụng cho hệ thống chiếu sáng dân dụng tiết

kiệm điện năng sử dụng nguồn năng lượng mặt trời với việc tìm điểm công suất

cực đại (MPPT) và lưới điện kết hợp trong điều kiện biển đảo Hệ thống này có

thể làm việc độc lập với lưới hoặc sử dụng lưới, tùy thuộc vào người sử dụng

 Nghiên cứu thiết kế vỏ thiết bị cho phép làm việc ở môi trường biển đảo

chống sự thâm nhập của nước biển đạt tiêu chuẩn PI 54, chống oxy hóa đồng thời đáp ứng mục tiêu nâng tuổi thọ của thiết bị Nghiên cứu ứng dụng bảo vệ bo mạch

nhằm nâng cao tuổi thọ so với hiện tại

1.4 Kết quả đạt được của đề tài

 Nghiên cứu và phát triển công nghệ bộ Led drive công suất từ 3W-150W

có khả năng làm việc đồng thời với nguồn lưới, nguồn pin mặt trời tích hợp giải thuật tìm kiếm điểm công suất cực đại (MPPT) và dễ dàng thay đổi cấu hình thiết

kế theo yêu cầu về công suất Bộ Led drive tích hợp khả năng điều khiển: 1) Tại chỗ theo thời gian và độ sáng nguồn cho phép tiết kiệm công suất tiêu thụ; 2) Từ

xa theo chương trình tùy chọn cho phép mở rộng các giải thuật tiết kiệm.Thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm

Bộ drive điều khiển LED công suất 8-30W, 50W và 100-150W điều khiển tại chỗ theo thời gian, độ sáng và theo chương trình riêng thông qua giao tiếp Xbee Nguồn cấp là Ắc quy

Đèn LED cầm tay công suất 3W sử dụng pin Li-ion Pin được sạc từ lưới và pin mặt trời

Bộ đèn Led Drive công suất 8W tích hợp nguồn ắc quy 5-7Ah

 Nghiên cứu và phát triển Bộ sạc đa chức năng hoạt động với 3 trạng thái sạc tối ưu theo đặc tính của Ắc quy và sạc đồng thời từ lưới và pin mặt trời Thiết

kế chế tạo mô hình thực nghiệm

Bộ sạc đồng thời từ lưới và pin mặt trời cho 01 và 02 Ắc quy

Bộ sạc đồng thời từ lưới và pin mặt trời cho pin Li-ion

 Nghiên cứu và phát triển Smart Control Module cho phép lập trình các giải thuật điều khiển tiết kiệm năng lượng và giao tiếp với trung tâm điều khiển

 Phát triển giải thuật điều khiển tiết kiệm điện năng theo độ sáng và thời gian cho phép tiết kiệm 20% công suất tiêu thụ

 Kiểm định IP 54 cho hộp nhôm đựng Led Driver, hộp nhôm đựng bộ sạc,

đèn LeD công suất cực đại 150W

 Phát triển phần mềm điều khiển Drive thông qua chuẩn giao tiếp Xbee

 Hướng dẫn 02 sinh viên làm luận văn tốt nghiệp về đề tài đèn LED

 Đăng ký sở hữu trí tuệ mô hình bộ nguồn dự phòng linh: Giải pháp bố trí

mạch tích hợp bộ nguồn dự phòng linh hoạt

CHƯƠNG II TỔNG QUAN VỀ LED DRIVE 2.1 Đặc tính LED chiếu sáng

LED là các thiết bị có đặc tính V-A phi tuyến tính tương tự như diode công suất Khi được cấp một điện áp nguồn cấp thấp hơn ngưỡng thì LED không sáng, khi điện áp tăng đến một giá trị ngưỡng thì đèn LED bắt đầu sáng và dòng điện tăng mạnh Tuy nhiên, sau đó, nếu điện áp tiếp tục tăng LED nhanh thì LED nóng

và có thể bị hỏng LED hoạt động trong biên độ hẹp giữa ngắt hoàn toàn và đóng hoàn toàn (Hình 2.1)

Hình 2.1 Đặc tính VA của LED Trong thực tế, có một số khó khăn: dải điện áp làm việc của LED khác nhau ứng với công suất khác nhau đồng thời thay đổi theo nhiệt độ của môi trường xung quanh và thời gian hoạt động của LED Biểu đồ 2.2 cho thấy vùng hoạt động hữu ích của LED một cách chi tiết hơn Trong đó, thể hiện đặc tính V-A của 4 đèn LED giống hệt nhau theo datasheet có đặc điểm kỹ thuật tương tự nhưng vùng làm việc của 4 LED là rất khác nhau Nguyên nhân phần lớn các nhà sản xuất LED loại đèn LED không phụ thuộc theo màu sắc của ánh sáng mà chúng phát ra

mà các đèn LED được thử nghiệm trong quá trình sản xuất và tùy theo nhiệt độ màu Vì vậy, hậu quả là tất cả các đèn LED được trộn lẫn có thể bao gồm các lô sản xuất khác nhau và do đó sẽ có một sự khác biệt lớn về các giá trị ngưỡng của điện áp thuận (VF) Hầu hết các datasheets LED công suất cao chỉ định dung sai

VF khoảng 20%, do đó khoảng biến thiên rộng thể hiện đồ thị 2 Trong hình 2,

Nếu chọn một nguồn cung cấp điện áp là 3V khi đó dòng điện LED 1 đang được điều khiển, đèn LED 2 là 300mA, đèn LED 3 là 250mA LED 4 chỉ là 125mA

Ngoài ra, đường cong sẽ mang tính động Khi nhiệt độ đèn LED tăng lên đến nhiệt độ làm việc của chúng, những đường cong sẽ dịch về bên trái trôi dạt sang bên trái (điện áp VF giảm khi nhiệt độ tăng)

Hình 2.2 Đặc tính VA của 4 LED

Độ sáng của đèn LED tỷ lệ thuận với dòng điện chạy qua nó (Biểu đồ 3), vì vậy với một nguồn cung cấp 3V điện áp, đèn LED 1 sẽ phát sáng giống như một siêu tân tinh, đèn LED 2 sẽ hơi sáng hơn LED 3 và LED 4 sẽ sáng rất mờ

Hình 2.3 Sự phụ thuộc của độ sáng LED vào dòng điện

2.2 Nguồn cấp cho LED với dòng điện không đổi

Đèn LED, không giống như các thiết bị phát sáng khác, nó không thể trực tiếp kết nối và lưới xoay chiều Vì vậy nguồn cấp cho LED phải là nguồn DC, và nguồn cung cấp cho LED chiếu sáng phải được trang bị thiết bị hạn dòng qua LED phù hợp với đặc tính kỹ thuật của nó Đó là lý do tại sao các diode được gọi

là "thiết bị dòng", và việc sử dụng các bộ chuyển đổi điện áp truyền thống không thể áp dụng LED, cũng như bất kỳ diode bán dẫn có đặc tính V-A phi tuyến, thay đổi dưới ảnh hưởng của nhiệt độ Do đó, yếu tố hạn dòng cần được tính toán theo nhiệt độ và sự thay đổi điện áp nguồn Bộ nguồn cấp cho LED còn gọi là LED Driver

LED Driver AC có chức năng biến đổi dòng điện xoay chiều thành dòng một chiều với cường độ trong một khoảng nhất định Mạng điện dân dụng của nước ta có điện áp là 220V, dòng xoay chiều Vì vậy để cho bóng đèn có thể hoạt động với điện áp này thì cần có bộ phận đổi nguồn thành dòng DC có điện áp phù hợp cho chip led có thể hoạt động ổn định Thông thường cường độ dòng điện rơi vào khoảng 300mA [1] LED Driver tự động điều chỉnh điện áp đầu ra để giữ không đổi dòng điện và do đó giữ không đổi độ sáng Nếu dòng điện chạy qua các LED là như nhau, thì sẽ có độ sáng tương tự ngay cả nếu VF trên mỗi LED là khác nhau (xem hình 2.3)

Khi đèn LED ấm lên đến nhiệt độ làm việc, LED Driver tự động giảm điện

áp để giữ cho dòng điện qua đèn LED không đổi, do đó độ sáng của đèn LED không phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc

Một ưu điểm nữa của LED driver với dòng điện không đổi là không cho bất

kỳ LED đơn trong một chuỗi quá tải và do đó đảm bảo rằng tất cả LED đều có tuổi thọ hoạt động lâu dài Khi bất kỳ LED ngắn mạch, các đèn LED còn lại vẫn hoạt động với đúng dòng điện

Hình 2.4 Sơ đồ kết nối LED

2.3 Phân loại các dạng Led Driver với dòng điện không đổi

Loại 1: Sử dụng điện trở để hạ áp: Loại này là loại nguồn thô sơ nhất, tính

năng của loại nguồn này cực kỳ kém, trên thị trường vẫn có những loại đèn LED giá siêu rẻ sử dụng loại nguồn này

Hình 2.5 Led Driver sử dụng điện trở để hạ áp Led Drive dạng nguồn dòng DC cố định đơn giản nhất này một nguồn cung cấp điện áp cho các đèn LED thông qua điện trở Nếu điện áp rơi trên điện trở giống điện áp thuận trên một đèn LED, thì sự thay đổi 10% VF gây ra một sự thay đổi tương ứng dòng điện chạy qua LED (so sánh điều này với các đường cong thể hiện trong đồ thị hình 2.2 Trong đó, VF thay đổi 10% gây ra một sự thay đổi 50% dòng điện trong LED) Giải pháp này là rất rẻ, nhưng khả năng điều khiển dòng kém và tổn thất công suất lớn Nhiều LED Driver dạng này được thiết kế thay thế cho các halogen điện áp thấp Tuy nhiên, nếu có đèn LED ngắn mạch, điện trở bị quá tải và thường sẽ bị đốt cháy sau một thời gian ngắn, do đó tuổi thọ của các loại đèn LED là rất hạn chế Ngoài ra, phần lớn năng lượng đầu vào sẽ được phân

bổ cho điện trở này là nhiệt Giá trị điện trở càng nhỏ thì nó càng nóng vì điện áp trên điện trở là hầu như luôn và xấp xỉ bằng sự khác biệt giữa việc cung cấp điện

áp và điện áp rơi trên LED, và dòng điện LED càng thay đổi nhiều bởi sự thay đổi nhiệt độ

Loại 2: Nguồn dòng Loại nguồn này sử dụng IC và biến điện áp để cho ra

dòng điện ổn định phù hợp với dòng điện yêu cầu của chip LED Ưu điểm nổi bật của loại nguồn này là cho ra dòng điện cố định kể cả khi điện áp đầu vào thay đổi trong một khoảng khá lớn

Hình 2.6 Led Driver điều khiển tuyến tính điện áp LED Driver dạng nguồn dòng DC cố định dạng này là điều chỉnh tuyến tính dòng điện Có một số Driver điều khiển LED chi phí thấp có sẵn trên thị trường

mà sử dụng phương pháp này hoặc một bộ điều chỉnh điện áp tuyến tính chuẩn có

thể được sử dụng trong chế độ dòng điện không đổi Các mạch hồi tiếp trong điều chỉnh dòng điện chính xác trong khoảng ± 5%, nhưng công suất dư được chuyển sang dạng nhiệt vì vậy cần tản nhiệt tốt Nhược điểm của bộ nguồn này là hiệu suất thấp

Loại 3: Nguồn có thể thay đổi độ sáng của đèn ( Dimmable) Loại nguồn

này có thể sử dụng với chiết áp để thay đổi độ sáng của đèn theo ý muốn

Hình 2.7 Led Driver sử dụng bộ DC/DC converter Phương pháp sử dụng bộ biến đổi công suất để ổn dòng qua LED đang là giải pháp hiệu quả Để làm được điều này, nhiều hãng đã sản xuất IC chuyên dụng

có một hay nhiều đầu ra ổn dòng Khi sử dụng giải pháp này, việc điện áp cung cấp có thể được lựa chọn sao cho công suất trên Drive là nhỏ nhất Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như pin, nguồn điện áp là không đủ lớn để bật đèn LED Khi đó người ta sử dụng các bộ biến đổi có chức năng tăng áp như Boost hay Flyback để sử dụng hiệu quả các nguồn phát LED [4] Đối với điện cao đèn LED sáng trắng công suất lớn trong các thiết bị chiếu sáng sử dụng bộ LED Driver ổn dòng

LED Driver dạng này sử dụng các bộ biến đổi công suất Giá thành của nguồn dòng DC cố định dạng này cao hơn so với các giải pháp khác, nhưng dòng điện được điều chỉnh chính xác đến ± 3% trên một phạm vi rộng của tải LED và hiệu suất chuyển đổi có thể được cao đến 96% có nghĩa là chỉ có 4% năng lượng

bị lãng phí dưới dạng nhiệt và các nguồn dòng DC cố định có thể được sử dụng ở nhiệt độ môi trường cao

Sự khác biệt quan trọng giữa các LED Driver trên là dải điện áp vào và điện

áp ra Bộ biến đổi điện áp DC / DC có điện áp đầu vào rộng và điện áp đầu ra phạm vi mà trong đó khả ăng điều khiển dòng điện hoạt động tốt (Điện áp vào từ 5V đến 36VDC có dải điện áp đầu ra 2-34VDC) Phạm vi điện áp đầu ra không chỉ cho phép nhiều kết hợp khác nhau độ dài chuỗi LED, mà còn phép mở rộng phạm vi điều khiển độ sáng Hai giải pháp đầu tiên của nguồn dòng DC cố định vấn đề về tổn thất công suất và phạm vi điện áp đầu vào

2.4 Cấu trúc của LED Driver

Trong phần này chỉ mô tả cấu trúc của LED Driver, trong đó sử dụng IC điều khiển các bộ biến đổi DC/DC Sơ đồ khối của Led Driver dạng này được trình bày trên hình 2.8

Converter

Control Module

Current Ambient light Temperature

AC

Hình 2.8 Sơ đồ khối Led Driver sử dụng bộ DC/DC converter

2.4.1 Mạch chỉnh lưu AC/DC

Mạch chỉnh lưu AC/DC có nhiệm vụ biến đổi điện áp AC thành điện áp

DC Khối này có cấu tạo là 4 Đi-ốt, khi dòng điện đi qua 4 Đi-ốt này sẽ được chuyển từ dòng xoay chiều thành dòng điện một chiều Tụ điện lọc có tác dụng san phẳng dao động điện sau khi chỉnh lưu

2.4.2 Mạch DC/DC converter

Bộ DC/DC converter có chức năng biến đổi điện áp DC không đổi thành điện áp DC thay đổi và phù hợp với LED yêu cầu đồng thời điều khiển dòng điện DC/DC converter có nhiều dạng cấu hình khác nhau: Buck converter, Boost converter, Buck-Boost converter và được sử dụng tùy thuộc vào yêu cầu về điện

áp nguồn đầu vào và điện áp ngõ ra trên tải LED

Hình 2.8 Các dạng DC/DC converter sử dụng trong LED Driver

2.4.3 Control module

Đây là một trong những khối quan trọng nhất của LED Driver có chức năng nhận tín hiệu từ các cảm biến và cấp xung điều khiển cho khối DC/DC converter Khối này có thể là MCU, IC điều khiển hoặc IC tích hợp Trong trường hợp là IC tích hợp thì sẽ gồm 2 thành phần chính, một là IC điều khiển, hai là bộ phần đóng cắt – MOSFET (Một số loại nguồn sử dụng Transitor thay cho Mosfet)

Có nhiều loại IC được tích hợp luôn MOSFET trong, do đó sẽ không nhìn thấy MOSFET đối với loại nguồn này Tuy nhiên đối với mosfet tích hợp trong, công suất của mosfet đó sẽ không lớn bằng MOSFET rời Do đó, nguồn sử dụng MOSFET rời sẽ tốt hơn, tuy nhiên giá thành cũng sẽ cao hơn

Control Module có chức năng tạo ra tín hiệu điều khiển MOSFET đóng cắt mạch liên tục để tạo xung Nghĩa là biến dòng điện đầu vào (sau khi đi qua mạch chỉnh lưu) là dòng một chiều không có dao động thành dòng điện một chiều dao động theo một tần số nhất định, tần số này bằng tần số đóng cắt của MOSFET

Control Module nhận phản hồi áp và dòng từ đầu ra, phân tích các tín hiệu phản hồi từ đầu ra để quyết định tần số đóng cắt của MOSFET Đặc điểm của IC

là sẽ nhận phản hồi áp và luôn đảm bảo cấp đủ công suất cho tải

Một đặc điểm của đèn LED là khi hoạt động, nhiệt độ tăng lên thì sẽ dẫn đến điện trở suất tương đương giảm xuống, điều này kéo theo dòng điện đi qua chip LED sẽ tăng lên Khi dòng điện ở tải yêu cầu tăng lên, IC sẽ đáp ứng có nghĩa là nó sẽ yêu cầu MOSFET đóng cắt nhanh hơn, nếu tần số đóng cắt này quá lớn MOSFET sẽ không chịu được và hỏng Do đó rất cần thiết có cơ cấu phẩn hồi dòng và IC cần phải được trang bị chức năng bảo vệ quá dòng

2.4.4 Khối cảm biến và hồi tiếp

Tùy thuộc vào yêu cầu về chức năng, chất lượng và độ chính xác trong điều khiển, khối cảm biến và hồi tiếp có độ phức tạp khác nhau Bộ phận hồi tiếp dòng

là không thể thiếu để đảm bảo giữ cho dòng điện qua LED ổn định và không đổi

Cảm biến nhiệt độ phục vụ cho chức năng bảo vệ Cảm biến ánh sáng phục vụ cho chức năng điều khiển tối ưu về công suất, độ sáng…

2.4.5 Các khối phụ trợ khác

Cơ cấu giảm gai xung: Khi Mosfet đóng cắt để tạo xung, lý tưởng chúng

ta muốn có dạng xung vuông, tuy nhiên trên thực tế sẽ có dạng xung có sóng nhọn lên, đó là phần xung kim, nghĩa là tại những điểm này, điện áp hay dòng điện sẽ tăng vọt lên so với mức mong muốn Cơ cấu dập xung có tác dụng loại bỏ các xung kim này Về cơ bản nếu không loại bỏ xung kim, bộ nguồn vẫn hoạt động được, nhưng về lâu dài sẽ không bền

Tụ lọc: Dòng điện sau biến áp là dòng điện dao động, để ánh sáng không

bị dao động chúng ta cần có tụ lọc đầu ra, các tụ này sẽ có nhiệm vụ san phẳng dòng điện đầu ra.Đối với các loại đèn LED kém chất lượng, dung lượng tụ không

đủ lớn hoặc bị giảm nhanh sau thời gian hoạt động, sẽ dẫn đến tình trạng ánh sáng

bị rung

2.5 Cấu hình Led Driver đề xuất

Để thực hiện mục tiêu của đề tài, cấu hình Led Driver công suất 8W- 150W được đề xuất trong hình 2.9 bao gồm Các bộ phận chính sau:

1 Bộ Led Driver bao gồm bộ Boost DC/DC converter, khối tạo xung PWM

và mạch hồi tiếp dòng điện

2 Bộ sạc ắc quy đa chế độ hoạt động đồng thời với hai nguồn cung cấp từ

lưới và pin mặt trời có tích hợp giải thuật tìm điểm công suất cực đại MPPT

3 Bộ điều khiển đèn led thông minh Smart control Module: tích hợp mô đun điều khiển thông minh tại chỗ và từ xa thông qua mô đun Xbee

4 Trung tâm giao tiếp từ xa với từng Driver

5 Phần mềm giao diện qua điện thoại cho phép điều khiển trực tuyến độ sáng LED và cài đặt thông số chương trình điều khiển

Battery LED DRIVER

DC/DC

Smart Control Module

Ambient Lighting sensor

CHƯƠNG III THIẾT KẾ LED DRIVE CÔNG SUẤT ĐẾN 150W 3.1 Cơ sở tính toán thiết kế lựa chọn cấu hình

Bộ Led Drive bao gồm nguồn 12-24VDC được cấp từ Ắc quy (8W-50W từ

01 ắc quy, 100W-150W từ 02 ắc quy mắc nối tiếp); Bộ DC/DC Boost Converter tăng điện áp lên đến 32-34VDC; Bộ PWM Controler tần số cao cấp xung PWM điều khiển cho Bộ DC/DC Boost Converter thường sử dụng IC điều khiển chính

là UC3843 dựa trên tín hiệu hồi tiếp dòng Với dải điện áp làm việc rộng, có thể điều chỉnh tần số đóng cắt, duty cực đại, hồi tiếp vòng kín và lái MOSFET công suất trực tiếp UC3843 có thể điều khiển nhiều dạng cấu hình công suất bao gồm boost, flyback…

Bộ DC/DC Boost Converter là một phần quan trọng của Driver Trong thực

tế với những yêu cầu như hiệu suất cao (gần 90% hoặc cao hơn), khả năng truyền năng lượng liên tục, điện áp đầu vào thấp điện áp đầu ra cao, tần số đóng ngắt cao

và kích thước của các phần tử thụ động nhỏ đã làm cho việc lựa chọn thiết kế trở lên khó khăn

12-13.8 VDC

LED 50W

32-34VDC

Hình 3.1 Sơ đồ khối bộ DC/DC Boost Converter

Do những yêu cầu kỹ thuật được đưa ra trong bảng 3.1, cần phải đưa ra giải pháp thiết kế được để lựa chọn sao cho đáp ứng các mục tiêu về hiệu suất Vì điện

áp đầu vào thấp hơn so với điện áp ra yêu cầu với mục đích thực tế trong phạm vi

đề tài cấu hình DC/DC Boost Converter được lựa chọn

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật DC/DC Boost Converter

Điện áp vào định mức Vin 12V/24VDC

Điện áp vào tối đa Vinmax 15V/30VDC

Điện áp vào tối thiểu Vinmin 11V/22VDC

Công suất ra định mức Pout 8-150W

Hình 3.3 cho thấy các cấu hình cơ bản của DC/DC Boost Converter trong

đó có sử dụng trong IC để cấp xung điều khiển Các bộ chuyển đổi điện năng thấp hơn có thể thay thế diode khóa đóng ngắt thứ 2 trong bộ biến đổi Trong trường hợp, tất cả các phương trình áp dụng cho công suất tản của diode

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý mạch công suất bộ DC/DC Boost Converter

Các thông số cơ bản

1 Điện áp đầu vào VIN(min) , VIN(max)

2 Điện áp đầu ra VOUT

3 Dòng điện đầu ra IOUT(max)

- VIN(min) – điện áp vào nhỏ nhất

- VOUT – điện áp ra

-  - hiệu suất của bộ biến đổi (Giả thiết 90%)

Hiệu suất được đưa vào công thức tính D là do bộ biến đổi luôn có tổn hao công suất Điều này cho phép việc tính toán D gần với thực tế hơn so với trường hợp không sử dụng thông số hiệu suất Sử dụng hiệu suất bằng 92% được coi là trường hợp bộ biến đổi có chất lượng về hiệu suất kém nhất Trong một số trường hợp có thể sử dụng dữ liệu của nhà sản xuất khóa bán dẫn

Xác định độ nhấp nhô dòng điện cuộn cảm lớn nhất