A peak current controlled dimmable sepic led driver with low flicker

Abstract

Nowadays, a considerable part of the energy consumption in the world has been formed by lighting sources used in buildings, industry, transportation, and commercial. Yet, there has been a rapid decrease in traditional energy resources. Therefore, an energy efficient lighting system could be a solution to global energy problem. Light-emitting diodes (LEDs) have been taken much attention lately and expected to replace with classical lamps due to their special characteristics like high efficiency, long lifetime, environment friendly, robustness, and small size. However, a driver circuit is required to operate LEDs and constant current drivers can improve the LEDs performance. Hence, studies on LED driver circuits and its control method have recently been increased both in industry and in academia. In some applications, it is desirable to have control on LED brightness. This can be done by a current-control method that adjust the current flowing through LEDs. But, there are recommended practices while modulating current in High-Brightness LEDs for mitigating health risk to viewers in IEEE Std. 1789-2015. Most of the driver circuit have put on the market without any flicker measurements and checking these recommended practices about percent flicker and flicker index. All light sources may have flicker with various levels. However, the flicker generally exists in LED lighting when AC to DC conversion is present. Because of the full-wave bridge rectification in AC-DC LED drivers, LED lamps will have a peak-to-peak current ripple at twice the line frequency (100 Hz or 120 Hz). Hence, the flicker is mainly dependent on the driver circuit for LED lighting. Health risks and biological effects of flicker to the viewers such as headache, eyestrain, and seizures cannot be ignored and should be taken into consideration when designing a LED driver. A flicker-free LED driver can improve the visual performance and offer a human health friendly lighting. In this thesis, a peak-current control method is proposed for 30-Watt Single Ended Primary Inductor Converter (SEPIC) LED driver with adjustable output current. The proposed control strategy is based on measuring MOSFET peak current value using a shunt resistor. When this voltage reaches peak threshold value, controller turns off switch. The output current is adjusted to desired levels by changing this peak threshold value. Both simulation and implementation of the driver have been carried out. 220V rms, 50 Hz AC main is used as input of the driver. Pulse Width Modulation (PWM) signals are generated by using UC3842 and TL3845 Integrated-Chips (IC). Flicker measurements are taken from the output current curve. To validate proposed peak current control method, a 33.6 Watt, 112 V / 0.3 A SEPIC LED driver prototype is constructed and tested. Analysis and measurements have been carried out for different output current levels. Peak efficiency is obtained as 88.4% at nominal output current. Furthermore, 5.806% and 6.540% of percent flicker have been obtained at 300mA and 100mA, respectively. It has been found that the proposed Peak-Current-Mode-Controlled SEPIC LED driver offers LED brightness control for the consumer comfort, a high efficient system for energy efficiency, and a low-risk level of flicker for human health.

Günümüzde dünyadaki enerji tüketiminin önemli bir kısmını binalarda, sanayide, ulaşımda ve ticari alanlarda kullanılan aydınlatma kaynakları oluşturmaktadır. Öte yandan, geleneksel enerji kaynakları hızla azalmaya devam etmektedir. Bu nedenle, enerji verimli bir aydınlatma sistemi, küresel enerji sorununa bir çözüm getirebilir. Işık yayan diyotlar (Light Emitting Diodes- LEDs), yüksek verimlilik, uzun ömür, çevre dostu, sağlamlık ve küçük boyutları gibi özellikleri nedeniyle son zamanlarda büyük ilgi görmektedir ve LED'lerin klasik lambaların yerini alması beklenmektedir. Ancak LED' leri çalıştırmak için bir sürücü devresine ihtiyaç vardır ve akım kontrollü sürücüler LED'in performansını artırabilir. Bu nedenle, son zamanlarda LED sürücü devreleri ve bu devrelerin kontrol yöntemleri ile ilgili çalışmalar akademide ve sanayide daha fazla ilgi görmektedir. LED'ler doğru akım (Direct Current- DC) ile çalışmaktadırlar. LED' in Akım-Gerilim (I-V) eğrisi diyotun çalışma eğrisine benzemektedir. LED'e uygulanan gerilim eşik gerilimine ulaşıncaya kadar LED üzerinden bir akım akmaz. Bu eşik gerilimine ulaştıktan sonra akım akmaya başlar. Yüksek Parlaklı LED'lerin (High-Brightness LEDs) çalışma gerilimi genellikle 2.5 V ve 4 V arasında değişirken, bu LED'lerin çalışma akımları 50 mA ve 300 mA arasında değişmektedir. Fakat daha kuvvetli bir aydınlatma elde etmek için LED'ler seri, paralel veya seri/paralel diziler halinde bağlanabilirler. Bu durumda, yük olarak birbirine seri olarak bağlanmış birden fazla LED düşünülürse, LED'leri çalıştırmak için uygulanması gereken minimum gerilimin LED' lerin gerilim düşümlerinin toplamına eşit olması veya bu gerilimden yüksek olması gerekmektedir. Genellikle gereken doğru gerilim AC şebekeden tam-dalga-köprü-doğrultucu ve doğrultucu önünde bir kapasite yardımıyla elde edilir. Türkiye'de AC şebeke etkin gerilimi (Root Mean Square-RMS) 220 Volt iken, şebeke frekansı 50 Hertz'dir. Şebeke gerilimi doğrultulduktan sonra, bir sürücü yardımıyla LED'in nominal çalışma akımı ve gerilimi elde edilmeye çalışılır. LED' e giden akımı bir direnç yardımıyla sınırlama veya doğrusal gerilim ayarlayıcı ile LED'e giden akımı kontrol etme gibi LED sürücü yöntemleri vardır. Ancak bu yöntemlerin enerji verimliliği oldukça düşüktür. Bu yüzden, LED sürücülerinde verimliliği artırma noktasında yüksek kontrol kabiliyetleri ile anahtarlamalı güç kaynakları (Switching Power Supplies) tercih edilebilir. Genelde, şebekeden beslenen bir AC-DC LED sürücü devresinde sırası ile bir AC-DC dönüştürücü, ardından DC-DC dönüştürücü ve en son olarak LED gelir. Bu yapıda en çok karşılaşılan problemlerden ilki, AC-DC dönüştürücüden hemen sonra gelen büyük elektrolitik kapasite sebebiyle kaynaktan çekilen giriş akımının toplam harmonik bozunumu (Total Harmonic Distortion-THD) yüksek olması ve girişte güç faktörünün düşük olmasıdır. Şebeke güç kalitesini düşürmemek için, genellikle güç elektroniği devreleri içeren LED sürücüleri gibi elektronik aygıtlar tarafından çekilen şebeke akımı harmonikleri Uluslararası Elektroteknik Komisyonu (International Electrotechnical Commission-IEC) tarafından IEC61000-3-2 standardına göre sınırlandırılmıştır. Bu standarda göre aydınlatma aygıtları C kategorisinde içinde bulunmaktadır. Güç faktörünü 1' e yaklaştırmak ve akımı olabildiğince şebeke gerilimine özdeş tutmak için Güç Faktörü Düzelten (Power Factor Correction- PFC) sürücü devreleri bulunmaktadır. Çoğunlukla GFD devrelerde, doğrultma işleminden sonra gelen büyük elektrolitik kapasite devreden kaldırılarak, giriş akımının giriş gerilimini takip etmesini sağlayan kontrol yöntemleri uygulanmaktadır. Bu sayede, şebeke kalitesini bozmayan güç faktörü yüksek LED sürücüleri tasarlanmış olur. Ayrıca, ortalama ömrü 5000 saat olarak bilinen elektrolitik kapasitenin kaldırılması sürücünün de ömrünü uzatmaktadır. Tahmin edilen ömrü 50000 saat olan LED'ler, elektrolitik kapasitelerden tam 10 kat daha uzun ömürlüdür. Aslında, LED ve LED sürücüsü bir paket halinde düşünülürse, bu paketin ömrü sürücü devresi tarafından belirlenmektedir. Elektrolitik kapasitenin devreden kaldırılması, bu yapıya daha uzun bir ömür sağlayabilir. Lakin GFD sürücülerde elektrolitik kapasitenin devreden kaldırılması beraberinde "flicker" diye adlandırılan, aydınlatma cihazlarında karşılaşılan bir sorunu daha belirgin bir hale getirmektedir. Flicker Türkçe olarak "kırpışma" veya "titreme" adlandırılmaktadır. Flicker Aydınlatma Mühendisliği Topluluğu (Illuminating Engineering Society- IES) tarafından "anlık parlaklık değişimleri" olarak tanımlanmıştır. Yüzde flicker [Percent Flicker- Modulation (%)] ve Flicker indeks (Flicler Index) bu değişimi ölçmek için en sık kullanılan metriklerdir. Flicker olayı izleyiciler- yani insanoğlu tarafından çıplak gözle fark edilebilir veya fark edilemez seviyelerde gerçekleşmektedir. "Görünür flicker" frekans aralığı 3 Hz' den 70 Hz'e kadar tanımlanmış olsa da insandan insana göre bu aralık farklılık gösterebilir. 70 Hz üzeri flicker frekansları "görünmez flicker" olarak tanımlanmaktadır. Görünmez flicker gözle görülemeyecek kadar hızlı olmasına rağmen, insan retinasının 100 Hz ila 160 Hz frekansları aralığındaki ışık modülasyonunu çözebildiği saptanmıştır. Görünen ve görünmeyen flickerin insan sağlığı üzerinde potansiyel riskleri olabilir. Bunlardan bazıları: baş ağrısı, göz yorgunluğu, görme bozukluğu, migren, vertigo, epilepsi ve nöbet gibi insan sağlığını olumsuz etkileyen ciddi biyolojik etkilerdir ve göz ardı edilemez. Bu etkilerden, epileptik nöbet birkaç saniyelik görünür flickere maruz kalma sonucu hemen gerçekleşebilir. Ayrıca, uzun süreli görünmez flickere maruz kalma sonucu baş ağrıları, görme performansında düşüklük gibi insan sağlığı üzerinde olumsuz etkileri görülebilir. AC-DC LED sürücülerinde doğrultma işleminden sonra aslında tam bir doğru gerilim elde edilmez. Elde edilen gerilim, bir DC bileşen ve şebeke frekansının iki katı yani Türkiye için 100 Hz olan bir AC bileşenden oluşmaktadır. Bu 100 Hz'lik AC bileşen, LED üzerine uygulanan gerilime de yansımaktadır. Tepeden tepeye (Peak-to-Peak) AC gerilim dalgalanma büyüklüğüne göre, LED' in akımı daha büyük oranlarda dalgalanma yapacaktır. LED'in parlaklığının, LED'in üzerinden geçen akım ile doğru orantılı olduğu düşünülürse, akımdaki 100 Hz'lik AC dalgalanma aslında LED'in 100 Hz'lik frekansla flicker yapmasına sebep olacaktır. IEEE Güç Elektroniği Topluluğu tarafından (IEEE Power Electronics Society) IEEE 1789-2015 standardı kapsamında, Yüksek Parlaklık LED'lerde akım değişiminin izleyicilere yönelik sağlık riskini azaltmak için önerilen uygulamalar vardır. Önerilen uygulamaya göre, 100 Hz'lik flicker frekansındaki Yüzde Flicker %8'in altında olması gerekirken, Flicker indeks 0.1'in altında olmalıdır. Sürücü devrelerinin çoğu, herhangi bir Flicker ölçümü yapmadan ve Flicker yüzdesi ve Flicker indeksi ile ilgili bu önerilen uygulamaları kontrol etmeden piyasaya sürülmektedir. Flickerin izleyiciler üzerindeki biyolojik etkileri göz ardı edilemez ve bir LED sürücüsü tasarlanırken bu etkiler göz önünde bulundurulmalıdır. Flickersiz bir LED sürücü görsel performansı iyileştirebilir, insan sağlığı için daha sağlıklı bir aydınlatma sağlayabilir. Literatürde çalışmalar LED'i sürecek olan akımı olabildiğince doğru akıma yaklaştırma yönündedir. Bu tezde, çıkış akımı ayarlanabilir 30 Watt SEPIC LED sürücüsü için bir tepe akım kontrol yöntemi önerilmiştir. Sürücü girişi olarak 220V rms, 50 Hz AC şebeke kullanılmıştır. Yarı iletken anahtar sürme kolaylığı ve devre çıkışındaki polaritenin giriş ile aynı olması sebebiyle DC-DC dönüştürücü olarak SEPIC (Single Ended Primary Inductor Converter) seçilmiştir. Çıkış akımının ayarlanabilir olması için Tepe Akım Modu kontrol (Peak-Current-Mode-Control) yöntemi seçilmiştir. Önerilen kontrol stratejisi, bir şönt direnç kullanarak devredeki anahtarın tepe akım değerinin ölçülmesine dayanmaktadır. Bu akım değeri, tepe eşik değerine ulaştığında kontrolcü anahtarı kapatmaktadır. Tepe eşik değeri değiştirilerek çıkış akımı istenilen seviyelere ayarlanmaktadır. Anahtar tepe akımı her anahtarlama periyodunda ölçüldüğünden, anahtarın yanmasına sebep olacak aşırı akımlar önlenmiş olur ve sistem ani değişimlere kapalı döngü kontrol (Closed Loop Control) yöntemiyle hızlı cevap vermektedir. Darbe Genişlik Modülasyonu (Pulse Width Modulation- PWM) sinyalleri, UC3842 ve TL3845 akım kontrol entegreleri kullanılarak üretilmiştir. Önerilen sürücünün hem simülasyonu hem de uygulaması yapılmıştır. Simulasyonda anahtarlama frekansı 100 kHz, uygulamada ise 40 kHz seçilmiştir. Simülasyonun ilk kısmında önerilen kontrol yöntemi, güç faktörü kötü olan klasik bir AC-DC LED sürücü üzerinde denenmiştir. Önerilen kontrol yöntemi ile 50 mA ve 300 mA arasında akım kontrolü yapılabildiği kanıtlanmıştır. Ayrıca, ölçülen flicker metriklerinin önerilen limitlerin içinde kaldığı tespit edilmiştir. Simülasyonun ikinci kısmında, güç faktörünü iyileştirmek hedeflenmiştir. Doğrultucudan sonra gelen kapasite devreden kaldırılmıştır ve AC girişten bir referans alınarak akımın giriş gerilimini takip etmesi sağlanmıştır. Güç faktörü 0.98' yakın tutulurken, çıkışta 100 mA ve 300 mA arasında akım ayarı yapılmıştır. Devre 300 mA altında çalıştırılırken, yüzde flicker önerilen limitlerin biraz üzerinde ölçülmüştür ancak flicker indeks hep 0.1 limitinin altında kalmıştır. Önerilen kontrol yöntemi doğrulamak için, 33.6 Watt, 112 V, 300 mA bir SEPIC LED sürücü devresi kurulmuştur. Farklı çıkış akım seviyeleri için analiz ve ölçümler yapılmıştır. Maksimum verim, devre nominal çıkış akımında çalışırken %88.4 olarak bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar, 100mA ve 300 mA arasında akım kontrol yapılabileceğini ve sürücünün %80'in üzerinde bir verimle çalıştırılabileceğini göstermektedir. Ayrıca 300mA ve 100mA'da sırasıyla %5.806 ve %6.540 oranında yüzde flicker elde edilmiştir. Bu tezde önerilen kontrol yönteminin başka sürücü devrelerinde rahatlıkla kullanılabilir olduğunu hatırlatmakta fayda vardır. Sonuç olarak, önerilen Tepe-Akım-Modu-Kontrollü SEPIC LED sürücünün, tüketici konforu için LED parlaklık kontrolü, enerji verimliliği için yüksek verimli bir sistem ve insan sağlığı için düşük riskli bir flicker seviyesi sunduğu tespit edilmiştir.