Studie - Napájení elektroluminiscenční folie, cenová optimalizace driveru
© Ing. Petr Sládek, Originálně zpracováno pro 4MTec s.r.o. v r. 2006, práva na tento dokument již vypršela díky uzavření projektu a je uvolněn veřejnosti, vývoj elektroniky - ing. Petr Sládek.
Technologie elektroluminiscečních folií
:: Průřez layery el. folie
:: Náhradní schema (Du PONT)
Dynamická C se pohybuje v rozsahu 0,4-1nF/cm2.
RS je přibližně 100-150 kOhm/cm2. Typické hodnoty RP 4MOhm/cm2.
Ztrátový činitel tgDelta = 0,2-0,3. tj. Q je cca 5.
(DuPont, MetroMark)
Podle uvedeného modelu je tedy disipováno nebo převedeno na světlo jen cca 20% přivedené energie
do kondenzátoru.
:: Doporučené pracovní podmíky
- Pracovní frekvence 400-600Hz podle zprávy firmy Du Pont, která vyrábí luminisčenční látku. Celá zpráva je zde dupont_elpaper.pdf
- Zvýšení jasu se má provádět nejdříve zvýšením napětí a potom frekvencí.
- Střídač nemá zatěžovat folii stejnosměrným napětím, dochází k migraci iontů z
luminescenčního a stříbrného layeru.
Originál: [0011] In general, inverters produce voltages that are only approximations of sinusoidal alternating current. In particular, the positive and negative half cycles of current are not necessarily identical. The result is a DC bias on an EL lamp that causes ionic migration from the phosphor layer and silver migration from the rear electrode, if silver particles were used. It is known in the art to use a DC blocking capacitor in series with an EL lamp; e.g. see U.S. Pat. No. 5,347,198 (Kimball). It is known in the art to use barrier layers to prevent or to impede silver migration; e.g. see U.S. Pat. No. 6,445,128 (Bush et al.).
- Účinnost transportu energie do kapacitní zátěže při napájení ze zdroje napětí
s "lineárním" (disipativním)) proudovým omezením je teoreticky
max. 50%. Bohuže ale systém napájení z napěťového zdroje RC článku znamená celkově disipativní
proces a veškerá energie která se v jednom cyklu nepřeměnila na svělo je disipována na teplo.
Příklad pro folii o kapacitě 700nF: Energie akumulovaná v kondenzátoru je
0.5U2C; E(700nF,170V (peak 120Vrms)) = 0.5*1202700e-9 = 10mJ. Výkon disipovaný v měniči je
pak P=2*Ef (2 pulzy na periodu); P(700nF,170V,400Hz)= 2*10mJ*400Hz = 8W. To je ale jen polovic energie
, 50% se přeměnilo na teplo při nabíjení kondenzátoru a činí právě 8W. Celková maximální odhadovaná
disipace je tedy 16W/700nF (cca plocha A3). Pokud se použije jakákoliv rekuperační technika,
lze bez problémů dosáhnout účinnosti rekuperace až 85%, takže se sníží disipace
na 2.4W/700nF (cca plocha A3) Sníží se tím také energetické nároky folie, což znamená
snížení nákladů na vysokonapěťový zdroj.
Výrobci
| Výrobce |
Web |
Dynamická Kapacita C [nF/cm2] |
Proudová hustota [mA/cm2] |
Spotřeba [mW/cm2] |
Svítivost [Cd/m2] |
| Toshiba Materials Co., Ltd. |
http://www.toshiba-tmat.co.jp/tmat/eng/material/e_el.htm |
? |
0.11-0.12 |
2 |
70-80 |
| Seiko Precision, Inc. |
http://www.seiko-p.co.jp/E/device/lumi.html |
? |
1 |
? |
? |
| MKS, Inc. |
http://www.quantaflex.com/index.htm |
? |
? |
? |
? |
| MetroMark |
http://www.metromark.com/PDF/el_data.pdf |
0.46 |
? |
2.79 |
58 |
| Rogers Corporation |
http://www.rogerscorporation.com |
? |
0.06-0.16 |
? |
50-70 |
| Metalor |
http://www.metalor.com/en/technology-products/electroluminescence/electroluminescence.asp |
? |
? |
3.4 |
? |
:: Rozvaha výkonového zatížení střídače
Za základ budeme uvažovat uváděnou spotřebu na plochu výrobci tj. asi 2.8mW/cm2.
Dále odvodíme ze spotřeby elektrický model, Q je činitel jakosti kondenzátoru tj. 1/tgDelta =Im/Re část impedance.
DuPont model, Q < 2.7 (příliš pesimistický)
| Formát |
Plocha [cm2] |
Dynamická
kapacita [nF] |
RS [Ohm]
(model*) |
RP [kOhm]
(model*) |
Z [Ohm] @400Hz
(model*) |
Zdánlivý příkon S [VA]
(model*) sinus 400Hz,120VAC |
Příkon P [W]
(model*) sinus 400Hz,120VAC |
Spotřeba P [W] dle
MetroMark [W] |
| A4* |
624 |
287-624; mean 455 |
160-240 |
6.4 |
320-860i |
15.7 |
5.5 |
1.75 |
| A3 |
1249 |
574-1249; mean 911 |
80-120 |
3.2 |
160-430i |
31 |
11 |
3.5 |
| A2 |
2499 |
1148-2499; mean 1823 |
40-60 |
1.6 |
80-220i |
63 |
22 |
7 |
| A1 |
4998 |
2296-4998; mean 3646 |
20-30 |
0.8 |
40-110i |
126 |
44 |
14 |
*DuPont model. Dynamická C v rozsahu 0,4-1nF/cm2.
RS 100-150 kOhm/cm2. RP 4MOhm/cm2. Napájení 120VAC RMS.
A4 = 210x297mm. S= |UI*|.
DuPont model, Q = 5 (reálný)
| Formát |
Plocha [cm2] |
Dynamická
kapacita [nF] |
RS [Ohm]
(model*) |
RP [kOhm]
(model*) |
Z [Ohm] @400Hz
(model*) |
Zdánlivý příkon S [VA]
(model*) sinus 400Hz,120VAC |
Příkon P [W]
(model*) sinus 400Hz,120VAC |
Spotřeba P [W] dle
MetroMark (115VAC RMS, 400Hz) [W] |
| A4 |
624 |
350 |
100 |
10 |
230-1220i |
12.6 |
2.5 |
1.75 |
| A3 |
1249 |
700 |
50 |
5 |
1140-560i |
25 |
5 |
3.5 |
| A2 |
2499 |
1400 |
25 |
2.5 |
57-280i |
50 |
10 |
7 |
| A1 |
4998 |
2800 |
12 |
1.25 |
28-140i |
100 |
20 |
14 |
*DuPont model. C 0,56nF/cm2.
RS 62 kOhm/cm2. RP 6.2MOhm/cm2. Napájení 120VAC RMS.
Doporučení
Podle modelu, který se blíží reálné folii (Q=5) je nutné pro efektivní využívání
energie použít jakýkoliv měnič, který je schopný energii dodávat, ale i odebírat. Např.
1/2 H můstek s LCR filtrem. Majoritní je totiž reaktivní příkon Q = sqrt(S2-P2), nikoliv činný P.
Topologie střídače (driveru/invertoru) 100-200VDC/100-200VAC, 100Hz-2000Hz
:: Driver s nízkofrekvenčním transformátorem (1)
Popis:
Transformátor schopný přenášet signál do jednotek kHz je napájen
buď topologií push-pull jak je na obrázku, nebo polovičním (plným) H-můstkem.
Výhody:
- Laciné řešení pro více kanálů ON/OFF
- Jednoduché zapojení. Nevyžaduje žádé součástky, které jsou schopné pracovat s napětím 100-200VDC/VAC, kromě triaků.
- Cena transformátoru 5W 1,5-2EUR
Nevýhody:
- Drahé řešení pro nezávislé stmívatelné kanály
- Díky veliké rozptylové indukčnosti transformátoru dochází k napěťovým překmitům a zákmitů jež mají mnohonásobně
větší frekvenci než budící. Tento efekt negativně působí na stárnutí folie, které je výraznější při napájení vyšším kmitočtem.
- Z předcházejícího bodu vyplývá vyšší EMI v oblasti kmitočtů jednotek kHz
- Technologicky nelze dosáhnout tloušťky pod 10mm, nevyrábí se takové transformátorové plechy a kostry.
- Bez rekuperace.
:: Integrovaný Driver s indukčností step-up
Popis:
Jedná se o plně integrované drivery, které jsou schopné
napájet jednu folii, jelikož jejich frekvnece je závislá na připojené kapacitě
a nelze u nich dosáhnout stmívání nejsou vhodné. Navíc nemají potřebný výkon pro aplikace nad 5W.
Vyrábí Supertex Inc, Rogers Corporation - Durel, Sipex.
:: Driver s plným H můstkem a syntézou "true-sine" (2)
Popis:
Spínaný měnič zvyšuje napětí 12VDC na 100-200VDC, polovičním můstkem se
pomocí PWM modulace syntetizuje sinus (nutná nízkofrekvenční filtrace). Druhý půlmůstek
pro všechny závislé i nezávislé stmívané kanály je společný, jeho přepínáním se dosahuje komutace
napětí 100-200VDC.
Výhody:
- Napájení elektroluminiscenční folie je čistý sinus - zřejmě se dosáhne o málo procent vyšší životnost.
- Minimalizace EMI na vyšších kmitočtech. Jak napětí tak proud jsou sinus.
- Rekuperace, nejnižší spotřeba.
Nevýhody:
- Náročné na mikroprocesor, který musí řešit syntézu sinusovky. PWM musí pracovat na desítkách až stovkách kHz.
- Nutnost použít spínací tranzistory MOSFET a driver polovičního můstku.
- Problematické zatlumení L-R-C výstupního filtru.
Ceny součástek:
Vybrané součástky, s ohledem na cenu a potřebné paramtery:
| Typ součástky |
Označení |
Pouzdro |
Výrobce |
Parametry |
Cena (>1000ks) |
| Triac |
Z01 |
SOT-223 |
STMicroelectronics |
IT=1A,VDRM=800V |
0.128 USD, DK* |
| High Side Driver |
FAN7361 |
SOIC8 |
Fairchild |
Voffset +600V |
0.37, AR* |
| Half Bridge Driver |
FAN7380 |
SOIC8 |
Fairchild |
Voffset +600V |
0.52, AR* |
| Half Bridge Driver |
IR2110 |
SOIC8 |
International Rectifier |
Voffset +600V |
1.1, AR* |
| dvojitý mosfet |
FQS4901 |
SOIC8 |
Fairchild |
Vbrdss +400V |
0.36, AR* |
:: Driver master-slaves - plný H můstek, syntéza "modified-sine", komutace PWM pro stmívání 0-100% (3)
Popis:
Spínaný měnič zvyšuje napětí 12VDC na 100-200VDC, driver má jeden hlavní
půlmůstek přes který teče veškerý výkon. Každý další nezávislý stmívaný kanál
vyžaduje jeden půlmůstek s komutací PWM, kterou se dosahuje rozsahu stmívání od 0-100%. Bez komutace (protitaktní PWM, fáze 180deg)
lze dosáhnout 50-100%, s komutovanými (fáze 0deg) PWM 0-50%.
Driver vykazuje stejnosměrný bias ve výstupním
napětí, který lze odstranit sériově zapojeným kondenzátorem.
Výhody:
- Napájení elektroluminiscenční folie je definovaný modifikovaný sinus, což nelze
dosáhnout při napájení nízkofrekvenčním transformátorem (díky jeho nedokonalosti - rozptylové indukčnosti). Modifikovaný sinus je obdélníkový signál s
nejvyšším potlačením vyšších harmonických (liché) a limitovaným přeběhem hran (dV/dt limit).
| harmonická (základní 400Hz) |
amplituda |
| 1. (400Hz) |
100V |
| 3. (1200Hz) |
11V |
| 5. (2000Hz) |
10V |
| 7. (2800Hz) |
14V |
| 9. (3600Hz) |
9.5V |
| 11. (4400Hz) |
0.8V |
- Snížení EMI na nižších kmitočtech.
- Nízká cena za kanál, zvláště při použití BJT.
- Jednoduché řízení mikroprocesorem.
Nevýhody:
- Vyšší EMI než syntéza čistého sinu.
- Stejnosměrný bias, který lze nenákladně odstranit.
- Bez rekuperace.
Ceny součástek:
Zapojení vychází hlavně z cen součástek konkrétních typů. Některé již zaběhlé
MOSFETy mohou poskytnout levnější řešení než BJT darlington.
Vybrané součástky, s ohledem na cenu a potřebné paramtery:
| Typ součástky |
Označení |
Pouzdro |
Výrobce |
Parametry |
Cena (>1000ks) |
| Triac |
Z01 |
SOT-223 |
STMicroelectronics |
IT=1A,VDRM=800V |
0.128 USD, DK* |
| Triac |
MAC08MT1, MAC08BT1 |
SOT-223 |
ON Semiconductor |
IT=0.8A,VDRM=600V |
0.17 USD, DK* |
| Triac |
MAC97 |
TO-92 |
ON Semiconductor |
IT=0.8A,VDRM=600V |
0.1 USD, FE* |
| NPN BJT |
BF720T1 |
SOT-223 |
ON Semiconductor |
VCEO=300V, IC=0.1A |
0.14 USD, DK* |
| PNP BJT |
BF721T1 |
SOT-223 |
ON Semiconductor |
VCEO=-300V, IC=-0.1A |
0.27 USD, MR* |
| PNP BJT |
KSH350 |
D-PAK |
Fairchild Semiconductor |
VCEO=-300V, IC=-0.5A |
0.2 USD, FC* |
| NPN/PNP BJT |
MJD340/350 |
D-PAK |
ON Semiconductor |
VCEO=300V, IC=0.5A |
0.2 USD, DK* |
| P-MOSFET |
IRFR9210 |
D-PAK |
International Rectifier |
VCEO=-200V, IC=-1.9A |
0.4 USD, DK* |
:: Driver 1/2 symetrický H můstek, syntéza "modified-sine" (4)
Popis:
Můstek generuje symetrické napětí bez stejnosměrné složky, tím pádem lze společný P.E.T a I.T.O. layer
připojit na zem, takže se sníží EMI vyzařované dopředu, před folii.
:: Driver master-slaves s HVIC firmy Supertex (driver plazmových obrazovek) (5)
Popis:
Obdobná topologie jako v předchozím zapojení. HVIC (High Voltage Integrated Circuit)
v sobě zahrnuje 32-64 polovičních můstků s digitálním interface.
Obvody přicházející v úvahu HV3418, HV7224, HV7620. Datasheety jsou dostupné na www.supertex.com.
Výhody:
- Levné řešení pro více kanálů ON/OFF, ale až 2x dražší než při použití triaků.
- Minimalizace rozměrů.
- Digitální interface, vysoká integrace, vyšší spolehlivost.
Nevýhody:
- Výstupní proud maximálně 70mA (jen u některých typů)
- Cena za kanál klesá pod 0.5EUR až s počtem desítek kanálů ON/OFF
- Obtížná, až nemožná realizace proudového omezení.
- Max. napětí 180 až 250VDC
Ceny součástek:
Vybrané součástky, s ohledem na cenu a potřebné paramtery:
| Typ součástky |
Označení |
Pouzdro |
Výrobce |
Parametry |
Cena (>1000ks) |
| driver |
HV3418 |
80pin Quad Plastic |
Supertex |
64 kanálů |
20 USD, MR* |
| driver |
HV7224 |
64pin Quad Plastic |
Supertex |
40 kanálů |
12 USD, MR* |
| driver |
HV7224 |
64pin Quad Plastic |
Supertex |
32 kanálů |
19 USD, MR* |
:: Vyhodnocení nákladů na jednotlivé typy driverů (SMD montáž), ceny v USD
| Driver |
Super-flat
design |
Low EMI design
(P.E.T a I.T.O. folie
na GND/DC) |
Low
dissipation
design 2.4W/A3 |
Cena za slave
jednotku |
Cena za master
jednotku |
Cena za kanál
ON/OFF |
Cena za nezávislý
stmívatelný kanál |
Přídavné náklady
v měniči DC/DC |
Cena: část invertor
(8kanálů ON/OFF,
1 stmívací)* |
| (1) Nízkofrekvenční transformátor |
 |
|
|
0 |
$2.2 |
$0.16 |
$2.8 |
0 |
$6.28 |
| (2) Syntéza "True sinewave" |
 |
|
|
$1.9 |
$3 (2 caps) |
$0.18 |
$1.9 |
0 |
$6.34 |
| (3) Master-slave H můstek z BJT |
|
|
|
$1 |
$1.1 |
$0.18 |
$1.5 |
0 |
$5.04 |
| (4) Symetrický 1/2 H můstek z BJT |
|
|
|
$1.4 |
$1.6 |
$0.2 |
$2.4 |
$1.5 |
$8.5 |
| (5) Master-slave Supertex HVIC |
|
|
|
$12-$20 (32-64k) |
$1.1 |
$0.3-0.6 |
$1.5 |
0 |
- |
*Cena se vztahuje pouze k výkonové části, není zahrnutý mikroprocesor, měnič 12VDC/120(240)VDC!
V případě thru-hole (standardní děrové) montáže klesne cena řady komponent asi o 30%, nelze ale dosáhnout tloušťky 5mm. Odhadovaná tloušťka je kolem 10mm.
Topologie měniče 12VDC/100-200VDC
Vytipované ICs: LM3478MM, UC3843D.
:: Boost (step-up) s dělenou indukčností (podobné jako flyback)
Popis:
Jedná se o modifikované zapojení topologie step-up, indukčnost je dělená
a tím se dosáhne lepšího transformačního poměru. Spínací součástky potom pracují s menšími
špičkovými a RMS hodnotami napětí a proudu, což zvyšuje účinnost.
Výhody:
Nevýhody:
- Podle propočtů energetických nároků 10W zdroje vychází pro planární jádra (spínací
frekvenci 450kHz, zdvihu 50mT, jádro E14/2.5/6 z hmoty 3F3 nebo 3F4, mezera 530um) plocha 40mm2,
což odpovídá 3 jádrům E14/2.5/6 (www.ferroxcube.com). Cena jednoho jádra převyšuje 1,5EUR.
Použití planární technologie transformátru na PCB vyžaduje 8-vrstvý plošný spoj, jehož cena
za jedno jádro činí přibližně 1USD.
Celkově vzato, takováto dělěná cívka vyjde na přibližně 7 EUR.
:: Boost (step-up) s jednoduchou indukčností
Popis:
Nejednodužší zapojení topologie step-up, indukčností
teče proud srovnatelný s proudem z napaječe 12VDC.
Výhody:
- Laciné
- Jednoduchá montáž, vhodné pro masovou výrobu
- Dostupné laciné SMD nízkoprofilové indukčnosti (Panasonic, Sumida, Coiltronics). Cena přibližně 1-1.5USD/ks pro 10W.
Nevýhody:
- Výstupní kondenzátor a dioda je zatěžována velikými impulsními proudy (cca 1.5A pro 10W).
- VBRDSS MOSFETu musí být minimálně 160V pro 120VDC na výstupu a být schopen spínat proud 1A pro výkon 10W.
- Vyšší EMI
:: Boost (step-up) symetrický
Popis:
Nejednodužší zapojení topologie step-up, generuje zároveň
nábojovou pumpou zrcadlové napětí. Tento stupeň může předcházet step-up na cca 40VDC pro snížení
impulsních proudů.
Výhody:
- Laciná výroba symetrického napětí
- Jeden cyklus nábojové pumpy je "soft" - přes indukčnost.
- Jednoduchá montáž, vhodné pro masovou výrobu
- Dostupné laciné SMD nízkoprofilové indukčnosti (Panasonic, Sumida, Coiltronics). Cena přibližně 1-1.5USD/ks pro 10W.
Nevýhody:
- VBRDSS MOSFETu musí být minimálně 160V pro 120VDC na výstupu a být schopen spínat proud 1A pro výkon 10W.
- Vyšší EMI
:: Boost (step-up) s jednoduchou indukčností, kaskádně sériově řazený
Popis:
Kaskádní zapojení topologie step-up, snižuje proudy
a napětí oproti jednoduchému zapojení boost.
Zvýšení nákladů oproti předchozí verzi je sporné, protože jsou součástky zatěžovány menšími proudy
a napětím. Zvláště výstupní kondenzátor v jednoduchém zapojení musí snášet proudy řádově jednotky ampér.
Výhody:
- Jednoduchá montáž, vhodné pro masovou výrobu
- Dostupné laciné SMD nízkoprofilové indukčnosti (Panasonic, Sumida, Coiltronics). Cena přibližně 1-1.5USD/ks pro 10W.
- Nižší EMI než u jednoduché verze
Nevýhody:
:: Boost (step-up) paralelní
Popis:
Předpoklad snížení ripple (zvlněného) proudu do výstupního
kondenzátoru je synchronizace dvou a více sekcí zdrojů boost.
Výhody:
- Jednoduchá montáž, vhodné pro masovou výrobu
- Dostupné laciné SMD nízkoprofilové indukčnosti (Panasonic, Sumida, Coiltronics). Cena přibližně 1-1.5USD/ks pro 10W.
- Jeden výsupní kondenzátor bez sériových sekcí
- Jednodužší zavedení zpětné vazby než u sériového řazení, kde dochází k časovému zpoždění v druhé sekci.
- Při stejném počtu paralelních sekcí jako je transformační poměr, lze téměř eliminovat výstupní zvlněný proud Ic.
Nevýhody:
- Zvlněný proud se dělí pouze počtem paralelních sekcí.
- Komplexní řízení synchronizace. Problematická díky nestejnosti indukčností pokud se pro řízení používá
current mode operation (např. LM3478, UC3843).
Ceny součástek
Vybrané součástky, s ohledem na cenu a potřebné paramtery:
| Typ součástky |
Označení |
Pouzdro |
Výrobce |
Parametry |
Cena (>1000ks) |
| SMPS controller |
LM3478MM |
8-MSOP |
National Semiconductor |
1MHz operation |
1 USD, DK* |
| SMPS controller |
UC3843D |
SOIC8 |
Unitrode - Texas Instruments |
450kHz |
0.3 USD, DK* |
| indukčnost |
ELL6GM |
- |
Panasonic |
výška 1.4mm, 1.2-68uH |
0.55 USD, DK* |
| indukčnost |
ELL6PM |
- |
Panasonic |
výška 1.8mm, 1-100uH |
0.59 USD, DK* |
| indukčnost |
ELL6PV |
- |
Panasonic |
výška 1.8mm, 1-100uH |
0.48 USD, DK* |
| indukčnost |
ELL3GM |
- |
Panasonic |
výška 1.35mm, 1-33uH |
0.44 USD, DK* |
| indukčnost |
ELL4LM |
- |
Panasonic |
výška 1.65mm, 1-27uH |
0.495 USD, DK* |
| indukčnost |
ELLATV |
- |
Panasonic |
výška 1.8mm, 1.5-1000uH |
0.412 USD, DK* |
| vysokonapěťový keramický kondenzátor |
- |
2220-2225 |
KEMET, High Voltage Series |
500VDC,100-220nF |
- |
| vysokonapěťový keramický kondenzátor |
- |
2220-2225 |
Samsung, High Voltage Series |
500VDC,100-220nF |
- |
| vysokonapěťový svitkový kondenzátor |
B32521C3334J |
- |
EPCOS, Polyester |
250VDC, 330nF |
$0.13, DK* |
| vysokonapěťový svitkový kondenzátor |
2222 373 41224 |
- |
BC Components, Polyester |
250VDC, 220nF |
$0.13, DK* |
| vysokonapěťový svitkový kondenzátor |
2222 373 41224 |
- |
BC Components, Polyester |
250VDC, 220nF |
$0.168, DK* |