Pomiar temperatury w sterownikach (Flagiusz)

[df]

Witam,
korzystając z chwili oddechu po dłuższej nieobecności chciałbym się z Wami podzielić kilkoma pomysłami i przemyśleniami na temat rozwiązań, które mogłyby być realizowane w sterownikach latarek oraz sposobów ich implementacji.

Technologia Power-LED`ów bardzo dynamicznie rozwija się z silną tendencją w kierunku zwiększania zarówno liczby struktur (MC-E, P7, ...), jak isamej powierzchni czynnej struktur (XP-G, SSC, ...).
Wszystko to wpływa na wzrost sprawności (lm/W), gdyż przy większej łącznej powierzchni czynnej pozwala zmniejszyć jednostkową gęstość prądu, jak i na wzrost ilości emitowanego światła poprzez zwiększanie prądu (mocy).

Ale jak to już jest w naszym świecie, nic nie jest idealne.
Dostarczana do LED`a energia tylko w części jest zamieniana na światło - obecnie najlepsze LED-y osiągają sprawność rzędu 20-25% (http://en.wikipedia.org/wiki/Luminous_efficacy), reszta zamieniana jest na ciepło.

A zatem zwiększanie ilości dostarczanej do diody energii (zwiększanie mocy) powoduje wzrost wydzielanego na strukturze ciepła, które trzeba gdzieś odprowadzić.
Do tego celu stosuje się różne bardziej lub mniej skomplikowane rozwiązania od najprostszego odprowadzania ciepła na tradycyjną obudowę latarki, poprzez rozwiązania z użebrowaniem łączące cechy typowych radiatorów z ciekawym wzornictwem obudów latarek, aż po zaawansowane rozwiązania z chłodzeniem żelem lub cieczą, rozwiązania typu heat-pipe, czy wręcz wymuszone aktywne chłodzenie.

Z pewnością każdy z nas chciałby mieć malutką kieszonkową latareczkę (EDC) z imponującym mega-światłem.

Dzisiejsza technologia nie stanowi tu problemu.
Akumulatorki mają wystarczające wydajności prądowe, LED-y generują ogromne ilości światła - ale co robić z ciepłem, by nie było to okupione dodatkowymi cm i kg naszego świecidła i w sposób bezpieczny mogło cieszyć nasze oczy?

Odpowiedź jest prosta - trzeba monitorować temperaturę i tak sterować prądem diody, by wycisnąć z niej tyle ile się da, przy założeniu bezpiecznych narzuconych ograniczeń.

Od EDC nikt nie będzie wymagał świecenia z pełną mocą non-stop, wystarczy kilka minut, w bezpiecznych warunkach - głównie termicznych, po przekroczeniu których sterownik sam zadba o to by zmniejszając prąd powstrzymać wzrost temperatury i utrzymać go na bezpiecznym i akceptowalnym poziomie.

Dlaczego temperatura jest tak ważna?
1. im wyższa temperatura struktury, tym szybsza degradacja półprzewodnika oraz warstwy emisyjnej, powodująca spadek jasności w czasie, a w skrajnym przypadku jej bardzo szybkie spalenie
2. im wyższa temperatura tym mniejsza sprawność (mniej światła z wata)
3. wysoka temperatura wpływa także niekorzystnie zarówno na znajdujące się zwykle w bliskiej odległości ogniwo jak i samego operatora latarki (>40*C po prostu zaczyna parzyć)

Zainspirowany bardzo ciekawą lekturą Edim-a Rezystancja termiczna MCPCB postanowiłem nieco bardziej pochylić się nad tematem pomiaru temperatury i sterowania LED-ami zależnego w aspekcie możliwości zaprzęgnięcia w to sterowników mikroprocesorowych.

Jak zatem monitorować temperaturę LED-a?

Otóż można to robić na wiele sposobów, np.:

1. mierząc temperaturę w bliskiej okolicy LED-a lub radiatora do którego jest on przymocowany poprzez

a) pomiar napięcia na termistorze
+ łatwe, tanie i proste rozwiązanie
+ możliwość umieszczenia punktu pomiaru bezpośrednio na MCPCB lub po przeciwnej stronie radiatora/MCPCB, a więc w miejscu, gdzie zwykle znajduje się sterownik
- wymagana korekta temperatury (pomiar pośredni - mierzone wartości powinny uwzględniać gradienty temperatury między strukturą, a punktem pomiaru)
- większa bezwładność odczytu temperatury (struktura nagrzewa się znacznie szybciej niż znajdujący się pod nią radiator)
- termistor warto byłoby zasilać stałym prądem w celu uniknięcia dryftu spowodowanego zmieniającym się w czasie napięciem zasilania

b) pomiar napięcia na diodzie krzemowej
Podobnie jak dla termistora, tylko tu wykorzystuje się współczynnik temperaturowy, który dla krzemu wynosi 2mV/K

c) pomiar temperatury na dedykowanym czujniku (np. DS1621)
+ duża dokładność
+ mała liczba elementów zewnętrznych
- wymagana korekta temperatury (pomiar pośredni)
- bezwładność odczytu temperatury (odległość punktu pomiaru od struktury)
- złożone oprogramowanie (np. I2C)

d) pomiar napięcia w mikrokontrolerze (np. AT-tiny28)
+ duża dokładność
+ brak dodatkowych elementów zewnętrznych
+ proste rozwiązanie
- wymagana korekta temperatury (pomiar pośredni)
- bezwładność odczytu temperatury (odległość punktu pomiaru od struktury)
- koszt sterownika

2. mierząc napięcie na samej strukturze LED-a - i na tej metodzie chciałbym się tu skupić.

Zainspirowany pomiarami Edima (a zwłaszcza oscylogramami Vf ze startu zimnego LED`a w czasie) wpadłem na pomysł pomiaru przez sterownik napięcia Vf LED-a i wykorzystania współczynnika dV/dT jego struktury do pomiaru temperatury.

Pomysł polega na dokładnym odczycie Vf pracującej diody i obliczaniu przesunięcia spadku napięcia spowodowanego temperaturą względem wartości bazowej odczytanej.

Jakie problemy dostrzegam w tej metodzie?

a) jak odczytać Vf diody przy zadanej temperaturze, skoro każdy egzemplarz jest inny?
- sterownik natychmiast po starcie przeprowadzałby automatycznie kalibrację Vf diody mierząc przy zadanym prądzie spadek napięcia, a następnie zapisywał jego najniższą odczytaną wartość do pamięci nieulotnej.
Dzięki temu po kilku włączeniach samemu "nauczyłby" się on jaki jest Vf diody w temp. otoczenia. Ryzykiem jest to, że latarka może być włączana w temp. -20*C jak i w +30*C.
- innym pomysłem byłoby zastosowanie metody adaptacyjnej, w której każde włączenie latarki dawałoby odczyt, który wchodziłby do średniej z N-ostatnich pomiarów, a nie wartości minimalnej jak poprzednio. Tu z kolei ryzykiem jest silna tendencja do "pływania" napięcia a zatem sporego błędu pomiaru.
- manualna kalibracja, polegająca na wejściu sterownika w specjalny tryb w którym LED jest zapalany z pełną mocą na ułamek sekundy z długimi odstępami czasu, tak by nie zdążył się on rozgrzać oraz żeby udało się odczytać jego Vf. Kalibracja taka mogłaby być realizowana w temp. otoczenia ok. 20*C lub w przy niższej temp. np. w lodówce. Po wyłączeniu sterownika uzyskane w procesie takiej kalibracji odczyty zapisane byłyby jako wartość bazowa w pamięci nieulotnej i stanowiłyby podstawę do dalszego pomiaru.

b) jak odczytać temperaturę struktury LED znając Vf w zadanej temperaturze?
- mając pomiar Vf np. dla 20*C i znając stały współczynnik temperaturowy można przeliczać wprotst Vf na temperaturę.

c) jak sterowanie PWM będzie wpływać na dokładność pomiaru?
- o ile pomiar Vf przy stałym założonym prądzie jest rzeczą prostą, o tyle komplikacje pojawiają się przy sterowaniu PWM. Pomysłem jest tu odczyt wartości szczytowej Vf na prostym układzie D-C (detektor wartości szczytowej na diodzie i kondensatorze) - skuteczność tego rozwiązania powinna być potwierdzona empirycznie, ale ma to szanse działać.

d) czy szybkość i dokładność takiego pomiaru będzie zadowalająca?
- przetworniki ADC w powszechnych mikrokontrolerach mają wystarczającą dokładność i rozdzielczość (10bitów - 1024 poziomy)
- szybkość tańszych przetworników (z podwójnym całkowaniem) nie jest może imponująca, ale zapewne wystarczy i zmieści się w granicach akceptowanego błędu


A zatem dzięki temu uzyskujemy niewielkim kosztem bezpośredni pomiar temperatury wprost ze struktury LED-a i to przy pomocy wartości napięcia dostępnego już na sterowniku.

Wygląda to całkiem obiecująco - prawda?

[Pyra]

Witam
Od jakiegoś czasu (zakup Aurory z SST-50) też zająłem się rozważaniami na temat temperatury i doszedłem do wniosku, że pomiar termistorem przymocowanym możliwie blisko pada termalnego diody, będzie co prawda obarczony pewnym błędem, ale powinien być wystarczająco dokładny.
Co do metody pomiaru Vf diody, to w moim zamyśle miałem zamiar przeprowadzić kalibrację laboratoryjną parując diodę ze sterownikiem, o ile przy pojedynczych egzemplarzach DiY jest to metoda "do przełknięcia" to przy szerszym zastosowaniu była by bardzo niewygodna.

Wydaje mi się, że najrozsądniejszą metodą kalibracji, będzie zaproponowana przez Ciebie manualna. Myślę, że można by ustalić temperaturę wzorcową na 20 - 22°C, gdyż jest to temperatura pokojowa występująca w naszych domach przez większą część roku, tudzież w miesiącach letnich osiągalna w nocy. Drobne odchyłki na poziomie kilku stopni i tak nie będą miały większego znaczenia, gdy w sprzyjających warunkach będzie można dokonać korekcji.

Ale to tylko takie moje małe dywagacje

Pozdrawiam

[greg]

Temat ciekawy i istotny z punktu widzenia efektywnego wykorzystania energii akumulatora i uzyskania optymalnej sprawności emitera. Trzymam kciuki za realizację pomiaru temperatury na podstawie przyrostu Vf struktury diody realizowany bezpośrednio przez sterownik.

[Pyra]

Witam
A ja się zastanawiam, kiedy producenci dostrzegą problem i zintegrują element pomiarowy ze strukturą diody....

Pozdrawiam

[greg]

Np. Petzl czy też inni z branży kontrolują temperaturę LEDów w swoich czołówkach już od kilku lat. Tyle, że termistorem. Tutaj ciekawym tematem jest dla mnie wykorzystanie samej struktury LEDa. Bez podłączonego oscyloskopu, oczywiście

[Calineczka]

no Darku, ciekawy pomysł, obyś znalazł czas na realizację! Gdybym mógł pomóc-wiesz gdzie mnie szukać

[upek]

Pomiar temperatury poprzez dv jest bardziej uniwersalny - będzie dokładny zarówno w małych(CK-kach) jak i dużych latarkach o mocy kilkudziesięciu watów, ponieważ wielkość radiatora nie ma wpływu na pomiar.

Tylko jak rozwiązać problem pomiaru przy wielu diodach połączonych równolegle?

[tisher]

Hmm, Vf LED-a daloby sie rozwiazac mysle w dosc prosty sposob. Tzn chyba Calosc ograniczyla by sie do wlozenia latarki do lodowki na 2h.
Po tym czasie wlaczamy i latarka jak i dioda bedzie miala dobrze znana temperature okolo 6st (bo tyle ma chyba statystyczna lodowka, a nawet jesli to by bylo 2-10 to daje tylko 4 st +- wzgledem wzorcowego odczytu, co bez jakichkolwiek urzadzen pomiarowych jest doskonalym wynikiem)
Byc moze to mogloby byc podstawa do kalibracji i szacunkowyego wyliczenia.