بخشی از مقاله
خلاصه
در سالهای اخیر، تکنولوژی استفاده از دیود ساطع کننده نور برای کاربردهای مختلفی استفاده شده است. این دیودها در رنگهای مختلف در دسترس میباشد و برای ایجاد نور و روشنایی یکنواخت مورد استفاده قرار میگیرد . از سوی دیگر کنترل جریان این دیودها هنگامی که دارای تولید بزرگی در ولتاژ مستقیم خود هستند استفاده از آنها را با چالش مواجه کرده است. همچنین این ولتاژ دارای ضریب دمایی منفی با افزایش درجه حرارت میباشد بنابراین تنظیم کنترل جریان ثابت برای رسیدن به روشنایی یکنواخت الزامی میباشد. در این مقاله ابتدا یک رویکرد سیستماتیکی با دامنهی زمانی گسسته برای مبدل رزونانسی LED DRIVER ارائه شده است و به مدلسازی آن پرداخته شده است سپس با استفاده از روشهای تکاملی به بهینهسازی کنترلر تناسبیانتگرالی موجود در مسیر فیدبک مبدل رزونانسی مورد استفاده پرداخته شده است. نتایج حاصل نشان میدهد که شکل موج خروجی مبدل رزونانسی موردنظر دارای سرعت پاسخ گذرای بالاتر و کاهش نوسانات زیرهارمونیکی بیشتر میباشد.
کلمات کلیدی: مبدل روزنانسی، LED DRIVER، بهینهسازی، الگوریتم تکاملی، کاهش هارمونیک، افزایش نور LED، کنترل جریان.
.1 مقدمه
در سالهای اخیر چالشهای موجود در الکترونیک قدرت، یکی از مهمترین مباحث علمی مورد بحث شناخته شده است. امروزه، ادوات الکترونیک قدرت در انواع مختلف و برای کاربردهای گوناگون ساخته شده است. از آن جمله میتوان به یکسوسازها، تنظیمکنندههای جریان متناوب، چاپرها، اینورترها، منابع تغذیه و غیره اشاره کرد .[1] در این میان، دیودهای ساطعکننده نور LED - ها - در دامنهی وسیعی از جمله کاربردهای مسکن، خودرو، تزیینات، زمینه پزشکی و غیره استفاده شده است. در مقایسه با منابع نور معمولی، LEDها دارای ابعاد کوچکتر، عمر طولانیتر، صرفهجویی در انرژی و قابلیت بالا در سازگاری با محیط زیست میباشند .[2] همچنین LEDها در رنگهای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد. از سوی دیگر، یکی از چالشهای پیشرو، کنترل جریان LEDها هنگامی است که دارای مقدار بزرگی در ولتاژ مستقیم خود هستند. همچنین این ولتاژ مستقیم که دارای مقدار بزرگی است با دارا بودن ضریب دمایی منفی، با افزایش درجه حرارت روبرو هستند؛ بنابراین، جریان LEDها برای ثابت ماندن نیاز به کنترل دارد زیرا برای رسیدن به روشنایی یکنواخت در LEDها لازم است .[3]
در مقالات مختلف از راهکارها و ساختارهای مختلف برای ایجاد جریان ثابت و کنترل آن برای استفاده از LEDها به کار رفته است. در این مقالات از یک مبدل تبدیل رزونانسی برای ایجاد شرایط مناسب با بهرهبرداری بالا و کمهزینه تلاش شده است 6]؛.[4 همچنین در مرجع [7]، یک طرح کارآمد سوییچینگ نرم براساس ولتاژ بالا و جریان صفر برای مبدل رزونانسی LED DRIVER ارائه شده است و اثر بهبود آن در تغذیه بار با استفاده از الگوریتم PSO بررسی شده است. از سوی دیگر تلاشهای متعددی برای توصیف سیستم کنترل جریان حالت در مدلسازی خطی سیگنال کوچک ولتاژ LEDها صورت گرفته است که پیشبینی رفتار LED ها با استفاده از این مدلها موفقیتآمیز بوده است با این حال موضوع مشترک تمام مدلهایی که میتواند نوسانات جریان را کنترل نماید استفاده از مدل گسسته با استفاده از روشهای عدد برای طراحی میباشد که در این مقالات بررسی نشده است.
استفاده از مدل گسسته با استفاده از روشهای عددی برای طراحی میتواند به منظور افزایش و گسترش این مدلها به مدلهایی با محدوده فرکانس بالا و اصلاح مدل مقدار میانگین منجر شود. همچنین روشهای مدلسازی شده تاکنون، مدلسازی مبدل رزونانسی LED DRIVER با تنظیم ولتاژ بوده است 9]؛.[8 همانطور که اشاره شد تمامی مدلهای ارائه شده برای کنترل نوسانات جریان، از مدل گسسته برای طراحی مبدل رزونانسی LED DRIVER استفاده نشده است. استفاده از این مدل، میتواند باعث دقت بالا و کار در محدوده فرکانسی بالا شود. همچنین دغدغه دیگر تعیین ضرایب کنترل تناسبیانتگرالی استفاده شده در مسیر فیدبک مبدل رزونانسی LED DRIVER است که به دلیل دارا بودن فضای جستجوی پیوسته، تعیین این ضرایب را با مشکل مواجه کرده است. بنابراین در این مقاله، ابتدا به مدلسازی و توضیح مبدل رزونانسی LED DRIVER پرداخته شده است سپس برای تنظیم کنترل جریان LED DRIVER از روشهای تکاملی استفاده شده است در پایان موارد مطرح شده در یک مبدل طراحیشده مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج مورد بررسی قرار گرفته است.
.2 بیان مسئله
در مراجع مختلف تلاشهای متعددی برای توصیف سیستم کنترل جریان دیودهای ساطعکننده نور LED - ها - در مدلسازی خطی سیگنال کوچک ولتاژ LEDها انجام گرفته است که پیشبینی رفتار LEDها با استفاده از این مدلها موفقیتآمیز بوده است. روشهایی که بیشتر در این زمینه استفاده شده است به سه روش کنترلی حلقه بسته، کنترلی جریان ماکزییم - PCC - ، کنترل جریان میانگین - ACC - و کنترل هیسترزیسی جریان - HCC - تقسیم میشود .[8] در تمای مدلهای ارائه شده برای کنترل نوسانات جریان، از مدل گسسته برای طراحی مبدل رزونانسی باک LED DRIVER استفاده نشده است. در این قسمت به شرح مدل بازه زمانی گسسته پرداخته شده است. در این روش مدلسازی فرضیههایی در نظر گرفته میشود که به صورت زیر بیان شده است: تمام اجزاء و مولفهها ایدهآل و مطلوب هستند. ولتاژ خروجی Vo و ولتاژ ورودی Vi ثابت هستند.
تأثیر بارگذاری حلقهی فیدبک روی توان نادیده گرفته شده است. در شکل 1 مبدل باک روزنانسی LED DRIVER نشان داده شده است. در شکل 2 سیگنالهای زمانی سوئیچینگ متناسب با تنظیمات ورودی بکار رفته است و زمان روشن بودن سوئیچینگ - وضعیت - ON با فرکانس fs=1/Ts آغاز میشود. زمان روشن بودن سوئیچینگ، با رسیدن جریان القائی به ارزشی متناسب با کنترل سیگنال پایان مییابد که در آن ضریب تناسب Rs، متناسب با نسبت ولتاژ ارائهشده در خروجی جبرانساز و شیب جریان است که آن را ایجاد میکند.کنترل سیگنال ولتاژ که در اینجا Vc است، مطابق با سیگنال جریان معادل میباشد که به وسیله ضریب تناسب Rs مقیاسبندی میشود.
مقایسهگر به کار رفته دارای دو ورودی میباشد که یکی از ورودیهای مقایسهگر، کنترل جریان Vc/Rs را دنبال میکند و ورودی دیگر جریان القایی را انتقال میدهد. بر این اساس هنگامی که سوئیچ قدرت در حالت روشن قرار میگیرد، جریان القائی همزمان دارای یک شیب مثبت +m1 است و هنگامی که این سوئیچ در حالت خاموش قرار دارد، جریان القایی دارای یک شیب منفی -m2است. با توجه به وضعیت هندسی نمودار شکل موج نمایش داده شده در شکل 2، زمان کارکرد dk توسط برخورد این دو ورودی مقایسهگر به صورت رابطه 1 تعیین و بیان میشود:
