65384

РОЗРОБКА МІКРОПРОЦЕСОРНОГО КЕРУВАННЯ МАТРИЧНИМИ СВІТЛОДІОДНИМИ ВИПРОМІНЮВАЧАМИ

Автореферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Основною причиною великих енергозатрат на освітлення є низький коефіцієнт корисної дії ККД сучасних лампових джерел світла який складає декілька відсотків. За останнє десятиліття розроблені світлодіодні джерела світла ККД яких досягає 80.

Украинкский

2014-07-29

177.5 KB

2 чел.

Державне підприємство „Науково-дослідний інститут мікроприладів”

НТК „Інститут монокристалів”НАН України

РАДКЕВИЧ Олександр Іванович

                                                                                                            

                                                                                                                

                                                                                                                  УДК 681.32

РОЗРОБКА МІКРОПРОЦЕСОРНОГО КЕРУВАННЯ МАТРИЧНИМИ СВІТЛОДІОДНИМИ ВИПРОМІНЮВАЧАМИ

05.13.05 – компютерні системи та компоненти

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ 2010

 Дисертацією є рукопис.

 Робота виконана в ДП „Науково-дослідний інститут мікроприладів”

  НТК „Інститут монокристалів” НАН України.

Науковий керівник:  доктор технічних наук, професор

                                      Вербицький Володимир Григорович,

                                      ДП „Науково-дослідний інститут мікроприладів”

                                      НТК „ Інститут монокристалів” НАН України.

Офіційні опоненти:    доктор технічних наук,

                                      провідний науковий співробітник

                                      Опанасенко Володимир Миколайович,

                                      Інститут кібернетики імені В.М. Глушкова

                                      НАН України,

                                      доктор технічних наук, професор

                                      Сорокін Віктор Михайлович,

                                      Інститут фізики напівпровідників

                                      ім. В.Є. Лашкарьова НАН України.

  Захист відбудеться ”27”  жовтня  2010 р. о (об) 14   годині на

   засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.194.03 у малому конференц-залі

   при Інституті кібернетики імені В.М. Глушкова НАН України за адресою:

   03680, МСП, Київ-187, проспект Академіка Глушкова, 40.

  З дисертацією можна ознайомитися в науково-технічному архіві інституту.

  Автореферат розісланий ”24 вересня 2010 р.

  Учений секретар

  спеціалізованої вченої ради                                                            В.О. РОМАНОВ

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблеми енергозбереження набувають все більшої актуальності в сучасних умовах. Одним з ефективних способів зниження енерго-витрат на освітлення, яке складає біля 30% від всіх енергетичних витрат, є викорис-тання енергозберігаючих технологій. Основною причиною великих енергозатрат на освітлення є низький коефіцієнт корисної дії (ККД) сучасних лампових джерел світла, який складає декілька відсотків. Для порівняння у ламп розжарювання та галогенних ламп до 70% енергії йде на нагрівання. За останнє десятиліття розроб-лені світлодіодні джерела світла, ККД яких досягає 80%. Надзвичайно важливим є те, наскільки ефективно відбувається перетворення електроенергії у світло. Впро-вадження високих технологій отримання квантоворозмірних гетероструктур в Укра-їні дозволить знизити витрати вугілля, на якому працють теплові електростанції. Крім того, зменшиться викид в атмосферу вуглекислого газу, що покращить еколо-гічний баланс. 

Завдяки прогресу, досягнутому в розробках та виробництві твердотільних опто-електронних напівпровідникових приладів, у першу чергу пов’язаному з викорис-танням сполук та твердих розчинів A3B5, стало можливим витіснити з ринку освітлювальних приладів неекономічні освітлювальні лампи розжарювання.

Найбільш перспективним з погляду економії з урахуванням ефективності (від-ношення світлового потоку до споживаної енергії) виглядає підхід з використанням великого числа малопотужних, але високоефективних світлодіодних матриць. Технологія RGB, у принципі, дозволяє не тільки отримати білі кольори, але й переміщатися по колірній діаграмі при зміні струму через різні світлодіоди. Крім того, велика кількість світлодіодів у матриці забезпечує високий сумарний світловий потік і більшу вісьову силу світла. Але світлова пляма через аберації оптичної системи має неоднакові кольори в центрі й по краях, а головне, через не-рівномірний відвід тепла із країв матриці та з її середини світлодіоди нагріваються по-різному, і, відповідно, по-різному змінюються їхні кольори, в процесі старіння – сумарні колірна температура та кольори «пливуть» за час експлуатації. Тому поєднання в одному конструктиві високоефективних світлодіодів на основі InGaAlP та InGaAlN  з мікропроцесором на кремнії, вирішення проблеми інтеграції структур гетероелектроніки з кремнієвими інтегральними схемами (ІС) компенсує недоліки світлодіодних матриць, забезпечить високу якість підтримки балансу білого кольору, незалежно від температурних змін та природного старіння структур гетеро-електроніки.

Таким чином,  розробка енергозберігаючих освітлювальних та сигнальних при-ладів на основі світлодіодів і мікропроцесорів з урахуванням комплексу наукових та технологічних проблем є актуальною.

 Основою для рішення поставлених у дисертації задач стали роботи: Ж.І. Ал-фьорова,  К.А.  Валієва,   В.П.  Деркача,  В.П.  Кожемяко,  С.  Накамури,  О.В.  Пала-гіна, С.В. Свєчнікова, О. Е.  Юновича та ін.  

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до плану науково-дослідних робіт ДП „Науково-дослідний інститут мікроприладівНТК „Інститут монокристалів НАН України в рамках держбюджетних тем комплексно-цільової програми „Мікроелектроніка, державної науково-технічної програми розвитку мікро- та оптоелектронних технологій на 2005–2007 роки, державної науково-технічної програми (Розробка і впровадження енергозберігаючих світлодіодних джерел світла та освітлювальних систем на їх основі) – постанова КМ України № 632 від 09.07.2008 р., державної науково-технічної програми „Вирішальні технології інформатизації України, галузевої науково-технічної програми „Засоби інформатики та обчислювальної техніки, галузевої науково-технічної програми „Розвиток електронної промисловості України(„Електроніка – 2005).

Мета і задачі дослідження. Мета дослідження  розробка  мікропроцесорного керування матричними світлодіодними випромінювачами і створення на її основі енергозберігаючих твердотільних джерел білого світла.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити наступні задачі:

  •  провести аналіз сучасного стану і тенденції розвитку схем керування світло-діодними джерелами білого світла;
  •  здійснити реалізацію динамічних режимів живлення матриць надяскравих світлодіодів з використанням алгоритму зворотнього зв'язку по світловому потоку;
  •  сформувати сукупність критеріїв для створення спеціалізованого  процесора, поєднаного в одному кристалі зі структурами гетероелектроніки для обробки пото-ків інформації, отримуваних при освітленні об'єктів матричними світлодіодними джерелами білого світла;
  •  дослідити і розробити методи керування RGB матричними світлодіодними джерелами світла для збільшення їх енергетичної ефективності;
  •  провести дослідження способів суміщення в спільний конструктив твердотіль-ного   джерела   білого   світла   на   матеріалах   групи  A3B5  і  схеми керування на основі мікропроцесора на кремнії;
  •  розробити спеціалізований мікропроцесор, що функціонує з використанням   алгоритму WZ-перетворення  для  операцій  над  матрицями  і дослідити його основ-ні характеристики.

Обєкт дослідження – інтегральні твердотільні джерела білого світла на матеріалах А3В5 , фотоприймачі та схеми керування на основі мікропроцесора на кремнії.

Предмет дослідження – структурна організація та алгоритмічне забезпечення спеціалізованих процесорів на кремнії, суміщених з структурами гетероелектроніки в одному конструктиві для збільшення ефективності їх функціонування.

Методи досліджень. При вирішенні поставленої задачі застосовувалися основні положення твердотільної мікроелектроніки, методи проектування інтеграль-них мікросхем на основі КМОН-структур, числові методи розв’язування лінійних рівнянь з використанням методу WZ-перетворення, методи теорії електричних кіл, методи імітаційного моделювання, експериментальні методи вимірювань тестових структур з використанням зондових метрологічних засобів.  

Наукова новизна отриманих результатів.

  1.   Уперше сформульована сукупність критеріїв для створення спеціалізованого процесора, сполученого в одному кристалі зі структурами гетероелектроніки, що дозволило створити твердотільне джерело білого світла з еквівалентною енергетичною ефективністю більш ніж 150 лм/Вт.
  2.   Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено, що живлення світлодіодних джерел білого світла імпульсною напругою з використанням алгоритму зворотнього зв'язку по світловому потоку, дозволяє зменшити споживану потужність до ~30%, що еквівалентно збільшенню енергетичної ефективності світ-ловипромінюючого приладу при збереженні його спектральних характеристик.
  3.   Розроблено структурну організацію швидкодіючих процесорів, орієнтованих на сучасні інтегральні технології, функціонуючих з використанням алгоритму WZ-перетворення, в яких раціонально поєднані й розподілені функції між паралельними процесорними засобами обробки інформації, що дає можливість сформувати сигна-ли керування за один цикл.

Вірогідність отриманих результатів підтверджується узгодженістю проведених теоретичних досліджень, комп’ютерного моделювання з результатами експеримен-тальних досліджень, а також впровадженням і дослідною експлуатацією матричних світлодіодних випромінювачів.

Практична цінність і значення отриманих результатів.

Запропонований алгоритм динамічного живлення діодних джерел світла з використанням схеми зворотного зв'язку по світловому потоку, дозволив зменшити потужність споживання до 30% при імпульсному живленні з частотою проходження імпульсів 190 Гц, що еквівалентно збільшенню енергетичної ефективності в динамічному режимі до 30%.

Розроблений і обгрунтований метод оптимізації процесу випромінювання RGB складових у часі дозволяє відмовитись від використання фотоприймачів з світло-фільтрами, що робить конструкцію джерела світла більш технологічною.

Розроблено структурну організацію процесора, функціонуючого з використан-ням методу WZ-перетворення, що дозволяє здійснити регулярну структуру обчис-лювального пристрою, орієнтованого на КМОН технологію.

Запропоновано аспекти практичного використання динамічного живлення мат-ричних світлодіодних джерел світла, що дозволяють використовувати їх в інфор-маційно-енергетичних системах.

Результати проведених досліджень впроваджені в державному підприємстві ДПМФ „АРТЕМ” при організації виробництва матриць надяскравих світлодіодів для дорожніх світлофорів, інформаційних табло й імпульсних джерел живлення. Розроблені схеми впроваджені у виробництво і використовуються в системах світлодіодного освітлення вагонів КП „Київський метрополітен”.  

Особистий внесок здобувача. Особиста участь автора полягає в обгрун-туванні задач та методів досліджень, виборі та вдосконаленні способів розв’язу-вання поставлених задач, розробці технологій, проведенні експериментальних до-сліджень, узагальненні результатів, підготовці публікацій та участі в міжнародних конференціях. Наукові положення і практичні результати, що містяться в дисерта-ційній роботі, автором отримані самостійно [1, 8, 9, 11, 12].

У спільних публікаціях дисертанту належать: розробка методології cинтезу мі-кропроцесорного керування RGB матричними світлодіодними випромінювачами   [2, 4, 5, 10]; розрахунок температурного поля в надяскравих світлодіодних випро-мінювачах [3]; ряд конкретних реалізацій систем [6, 7].

Постановка задач та інтерпретація результатів проведені зі співавторами науко-вих праць.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідалися й отримали позитивну оцінку на таких науково-технічних конферен-ціях:

  •  ХVІ Науково-технічна конференція Національного авіаційного університету

( Київ, Україна, 1217 квітня 1996);

III  Всеросійська  конференція  «Нитриды галлия, индия и алюминия структуры и приборы» (Москва, МГУ, 0709 июня  2004);

III International Conference on Optoelektronic Information Technologies ”PHOTONICS-ODS 2005” (Ukraine, Vinnytsia, VNTU 2729 April, 2005);

  •  V Міжнародна науково-технічна конференция «Электроника и информатика – 2005» (Россия, Зеленоград, 2325 ноября 2005);
  •  XVII International Symposium ‘2009 ADVANCED DISPLAY TECHNOLOGIES (Crimea, Ukraine, 0509 October, 2009).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 12 наукових робіт, 4 в матеріа-лах міжнародних науково-технічних конференцій. Крім того, отримано 2 патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, трьох розділів, висновків, списку використаних джерел і додатку.

Повний обсяг дисертації складає 134 сторінки, з яких основний зміст викладений на 117 сторінках друкованого тексту, містить 37 ілюстрацій, 3 таблиці, список використаних джерел містить 103 найменування. Додатки містять струк-турно-функціональну схему процесора, програму мікроконтролера та акти впро-вадження результатів роботи.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі проаналізовано стан наукової задачі, обґрунтована актуальність дисертації, сформульовано основну мету та завдання досліджень, наукову новизну та значимість отриманих результатів. Наведено дані про апробацію результатів та їх впровадження.

У першому розділі подається короткий огляд сучасного стану і тенденції розвитку світловипромінюючих діодів, їх основні світлотехнічні характеристики та методи підтримки ідентичності характеристик матриць світлодіодів.

Результатом інтенсивного розвитку технологій у виробництві оптоелектронних приладів на основі напівпровідникових світловипромінюючих кристалів, стало широке використання цих приладів у системах відображення інформації і світлової сигналізації.

Зазначено, що розробка світлодіодів на InGaAlN та InGaAlP із кольорами від червоного до блакитного й світловіддачею більше 100 лм/Вт забезпечила освоєння практично всього видимого колірного спектру та істотно розширила області їхнього застосування й уможливила створення білого світла шляхом комбінування випро-мінювання червоних, зелених і блакитних світлодіодів.

Розглянуто спектральні характеристики світлодіодів, перетворення яких дозво-ляє отримати ряд параметрів спектрального розподілення випромінювання та дета-льно оцінити можливість використання конкретного світлодіода у формуванні необ-хідного відтінку або гами кольорів. Проаналізовано основні параметри світлодіод-них матриць – світлотехнічні, теплові, економічні.

Розглянуто прогноз зростання ефективності світлодіодів до 2020 р., де світлова ефективність вимірювана в люменах на ват досягне значення 200, a ціна люменів становитиме < $–2/klm (таблиця 1).

Таблиця 1. Прогноз зростання ефективності світлодіодів (джерело: OIDA)

Проведено фізичний аналіз світлодіодних освітлювальних систем, створених на

червоно – зелено – блакитному, так званому (RGB) світінні, що використовувались для того, щоб генерувати різнокольорове світло, включаючи і біле світло. На всіх режимах відтворення зображення в роботі матриць одночасно задіюється значна більшість світлодіодів. Основною проблемою таких систем, є те що оптичні характеристики світлодіодів змінюються з температурою, зміною прямих струмів, і в зв'язку зі старінням. Крім того, індивідуальні характеристики світлодіодів відріз-няються в залежності від партії виготовлення світлодіодів.

Проаналізовано способи стабілізації струму світлодіодних матриць з викорис-танням електричних схем. Встановлено, що існуючі на цей час методи підтримки ідентичності великої кількості характеристик світлодіодів повнокольорових матриць базуються на використанні драйверів постійного струму – інтегральних мікросхем розроблених спеціально для керування світлодіодами в схемах світлодіодних табло й екранів. Але вони не забезпечують стабільності якості світла в часі. Тому, якість світла, отриманого RGB світлодіодними освітлювальними системами, може значно змінюватися, і необхідний рівень балансу білого світла не може бути отриманий без підходящої системи керування зі зворотним зв'язком по світловому потоку.

Розглянуто нові архітектурні принципи побудови процесорної електроніки, орієнтованої на паралельно-конвеєрну, матричну та мультипроцесорну обробку ін-формації.

Проаналізовано метод та систему керування світлодіодами білого світла за-снованого на способі RGB змішування кольорів та схеми керування на дискретних елементах. Викладено питання удосконалення світлодіодних джерел білого світла.

На основі проведеного аналізу сформульовано висновки та постановку задач дисертаційних досліджень.

 У другому розділі досліджено та запропоновано методи та засоби підвищення ефективності світловипромінюючих джерел білого світла. Розглянуто динамічний режим живлення світлодіодів, теплові процеси при динамічному живленні матриць світлодіодів, методи суміщення структур гетероелектроніки зі схемами процесорно-го керування на кремнії.

Встановлено, що динамічний режим живлення матриць світлодіодів з викорис-танням широтно-імпульсно модульованих (ШІМ) – регуляторів зі схемою зворот-ного зв’язку від сенсорів світлових потоків світлодіодів для керування прямим струмом через світлодіоди матриці забезпечує зменшення впливу на їх довжину хвилі  та теплові процеси.  

Проведено аналіз енергетичних потоків у світлодіодних чіпах та інтегральних випромінювачах на їх основі для визначення робочих температурних режимів кристалів. Розглянуті та досліджені конструктивно-технологічні аспекти відводу тепла від активної області чіпів при динамічному живленні світлодіодів. Вибір частоти проходження імпульсів здійснювався за критерієм економічності та відчутті людського ока до неперервного світіння світлодіода і складає 190–200 Гц. Прямий струм через світлодіод може залишатися незмінним, тоді як зміна візуальної сили світла здійснюється за рахунок зміни шпаруватості імпульсів живлення. Для отримання тієї ж яскравості при імпульсному живленні потрібен середній струм від джерела живлення елементів матриці на 30% менший, ніж при живленні постійним струмом, що еквівалентно підвищенню енергетичної ефективності на 30%  (рис. 1).

         Встановлено, що перегрівання світлодіода зменшує квантовий вихід світла та обмежує оптичну потужність. Тому для більш ефективного видалення тепла та зниження температури переходу необхідно зменшувати товщину підкладки, p-n перехід, що випромінює світло розміщувати ближче до тепловідводу, видаляти первинну підкладку, яка використовується для вирощування світлодіодних гетероструктур з подальшим переміщенням епітаксіальних шарів на теплопровідну основу (рис. 2).

Проведено розрахунок температурного поля в потужних світловипромінюючих діодах, що дозволило визначити вплив на зростання температури активної області випромінювання таких факторів, як теплопровідність, теплоємність, електропровід-ність матеріалів структури, площа p-n переходу, квантова ефективність, електричні контакти, теплопровідність підкладки та металічних елементів збірки з використан-ням  системи рівнянь теплопровідності:

де   Тi температура i-го шару гетероструктури;

          iтемпературопровідність;

           Кi – коефіцієнт теплопровідності шарів з питомим електричним опором i ;

          Сi – питома теплоємність шарів;

           qi = j2i – питома потужність виділеного тепла в  i-шарі;

            j − щільність струму;

           r − радіус − вектор середовища, що оточує джерело тепла.

Визначена найбільш оптимальна товщина шарів, областей тепловиділення та відведення тепла в інтегральних матрицях надяскравих світлодіодів, які забезпечують їх високі світлові параметри і надійне функціонування.

Встановлено, що основним напрямком зниження температури активного шару світлодіода є зменшення теплового опору конструкції шляхом монтажу чіпа на металічну теплопровідну підкладку (рис. 3).

       Запропонована методика інтегрування структур гетероелектроніки на основі матеріалів груп А3В5 з процесором на кремнії для керування світлодіодами та обробки інтенсивних потоків інформації. Вона вирішує проблему функціональної і технологічної інтеграції транзисторних інтегральних схем на кремнії з елементами на гетероструктурах сполук А3В5 узгодженням їх фізичної та технологічної несумісності  за  параметрами  епітаксії,  температурним  коефіцієнтам розширення, дифузії домішок, мікротвердості, а також електромагнітній і тепловій взаємодіям.

При інтеграції збережені основні переваги як кремнієвої технології (високий ступінь очищення, структурна досконалість і контроль процесів введення домішок), так і гетероструктур складних напівпровідників. Дешевизна кремнієвих підкладок визначає актуальність технології росту епітаксіальних шарів гетероструктур на кремнії.

Здійснено вибір реалізації твердотільного інтегрального джерела білого світла на користь монолітної технології інтеграції, яка передбачає виготовлення на кремнії структури транзисторних схем, в окремих областях якої шляхом селективної епітаксії вирощуються світлодіодні структури на матеріалах А3В5 у системі AlGaInNPAs. Наведено архітектурну реалізацію мікропроцесорного середовища ре-єстрації інформації для керування електричними параметрами світловипроміню-ючих гетероструктур (рис. 4).

Розроблено технологію виготовлення твердотільних інтегральних джерел білого світла та виготовлено дослідні зразки на виробничому обладнанні Інституту мікропориладів НАН України.

Розроблено принципово нове твердотільне джерело білого світла яке являє собою оптоелектронну інтегральну схему джерела білого світла, ек-вівалентну енергетичній ефективності більше ніж 150 лм/Вт.

У даній роботі обгрунтовано, що інтегральна твердотільна мікроелектронна структура на основі поєднання в спільний корпус гетероелектронних світ-ловипромінюючих шарів та мікропроцесора на кремнії з схемою зворотнього зв’язку від сенсорів світлових потоків світлодіодів забезпечує високу якість підтримки балансу білого кольору, незалежно від температурних змін та природного  старіння структур гетероелектроніки. Така конструктивна реалізація істотно збільшує надійність роботи світлодіодних освітлювальних систем за рахунок зменшення кількості зовнішніх елементів та істотно поліпшує якість підтримки балансу білого світла.

У третьому розділі розглянуто організацію мікропроцесорного керування матричними світлодіодними випромінювачами. Проведено аналіз принципів керування світлотехнічними характеристиками  світлодіодів та способів організації обчислень параметрів для підтримки балансу білого світла RGB  світлодіодної матриці. Розглянуто синтез спеціалізованих процесорів обробки інформації для матричних діодних джерел світла.

Всі відомі твердотільні джерела білого світла не мають у своєму складі генераторів імпульсів та схем мікропроцесорного регулювання балансу білого світла в залежності від стану зовнішнього освітлення. За аналогією з ламповими вони працюють у стаціонарному режимі, тобто через чіпи тече постійний струм, або змінний струм, який створює стаціонарний світловий потік (квазістаціонарний режим), при якому зоровий аналізатор не реагує на зміни струму.

В основу дисертаційної роботи поставлено задачу створення принципово нового твердотільного джерела білого світла шляхом використання нової конструк-ції джерела білого світла, в якому інтегровані декілька світлодіодів з генераторами імпульсів живлення та мікропроцесорним контролером в одному конструктиві опто-електронної інтегральної схеми, яка подає для людини інформацію у вигляді світло-вих імпульсів.

Основними конструктивно-технологічними засадами є мікропроцесорне керу-вання імпульсним живленням RGB світлодіодів за програмою, яка забезпечує таке електромагнітне випромінювання, яке викликає у зоровому аналізаторі людини комфортне відчуття достатньої яскравості для ідентифікації предметів. Якість білого світла має відповідати координатам кольоровості (х,у,z) по діаграмі  СІЕ 1931. Підбором параметрів струму через чіпи необхідно регулювати потужність випро-мінювання так, щоб отримати одну із температур кольоровості за цією діаграмою.

Таким чином для підтримання білого кольору з заданими координатами колір-ності, визначеного в стандартній колориметричній системі СІЕ 1931, значення трьох величин, отриманих через систему зворотнього зв'язку порівнюються з корди-натами бажаного білого світла, регулюються точно у відповідності заданим і світло від світлодіодної системи не буде змінювати потрібну колірну температуру й матиме максимальну світлову ефективність, незалежно від змін у температурі переходу, прямого струму та внаслідок старіння світлодіодів.

Як відомо, зорове відчуття в оці людини виникає не миттєво, а через деякий час після початку збудження. Чутливість ока Р виражається:

де tо – стала часу, для колбочок tо = 150 мс, для палочок tо= 80 мс,

   к – енергетичний коефіцієнт.

При цьому збільшення енергетичного відчуття дорівнює:

Частота, яка забезпечує нерозривне відчуття послідовності імпульсних сигна-лів, є критичною частотою  Fкр.

Таким чином для безперервного відчуття необхідно вибрати частоту імпульс-них світлових сигналів, яка забезпечує зменшення світлоти W менше порогового значення. Ця порогова величина різна для кожної довжини хвилі. Зробимо оцінки порогової частоти безперервного сприйняття серії імпульсних світлових сигналів, тобто коли

Після підстановки (1), (2) в (3) та логарифмування отримаємо

Після підстановки відомих значень tо і переходу до енергетичних характеристик отримаємо Т2–Т1 = 0,0116 с. Тобто, критична частота імпульсів має бути не менше 86,21 Гц.

Адаптація до різних умов освітлення запрограмована в мікропроцесорі, який перевіряє сигнали від RGB світлодіодів і здійснює регулювання струму через них. Оптимізація джерела білого світла по адаптації зорового аналізатора людини дозво-ляє збільшити енергетичну ефективність приблизно в два рази, тобто отримати значення більше 200 лм/Вт.

Сучасна технологія транзисторних мікросхем на кремнії дозволяє створювати такі елементи при серійному виробництві з такою собівартістю, яка не буде суттєво підвищувати собівартість всього джерела світла із трьох чіпів і мікросхеми керування (рис. 5) та його топологія (рис. 6).

Зробимо розрахунок параметрів імпульсів струму через RGB чіпи для синтезу білого світла. Якщо прийняти червоне випромінювання за одиницю, то для отримання білого світла його необхідно змішати з 4,5907 таких же одиниць зеленого і 0,0601 блакитного. При силі світла червоного чіпа 1000 мКд, зелений чіп має випромінювати 4590 мКд, блакитний – 60 мКд. Якщо номінальний постійний струм через чіп дорівнює 40 мА, то для отримання необхідної сили світла через зелений чіп слід пропускати струм 114 мА, що майже в три рази перевершує номінальний. При імпульсному живленні послідовністю імпульсів з амплітудою 100 мА і шпаруватістю 2 біле світло синтезується допустимою для чіпів силою струму в імпульсах.

Показано, що  система  керування (рис. 7)  включає  модуль  зворотного зв'язку, окремий  фотоприймач,  що контролює інтенсивність випромінювання світлодіодної системи, мікроконтролер, запрограмований на значення трьохкоординатної діаграми МКО, генератори імпульсів електричного струму. У разі зміни координат кольо-ровості контролер змінює параметри імпульсів живлення так, щоб координати діа-грами кольоровості залишались у межах білого світла. Значення трьох координат при порівнянні можуть бути відображені як по системі МКО або по більш новій RGB колориметричній системі, але в кожному разі керуюча система простежує зна-чення трьохкоординатної системи. Встановлено, що значення трьох координат змі-шаного світла підтримується мікропроцесорним керуванням, і не вимагає завод-ського калібрування для  отримання колірних температурних характеристик світло-діодів. Крім того, це зводить до мінімуму розбіжності в характеристиках світло-діодів при виробництві від партії до партії, і істотно скорочує вартість систем через відсутність сортування світлодіодів з будь-якої партії.

На базі розробленої інтегрованої інтелектуальної системи викладені математичні моделі й алгоритми керування RGB матричними світлодіодними джерелами світла для збільшення їх енергетичної ефективності. Сформована сукупність критеріїв для створення спеціалізованого процесора, поєднаного в одному конструктиві з структурами гетероелектроніки для матричних світлодіодних джерел  білого  світла.  На  RGB  світлодіоди подаються імпульси струму з частотою

F = 190 Гц, шпаруватістю Т = 0,5 і середнім значенням струму, яке дорівнює  вибраній  робочій  точці  кожного  світлодіода. Мікропроцесор запрограмований на параметри імпульсів через RGB кольори Х,У діаграми МКО. Фотоприймач контролює інтенсивність випромінювання світлодіодів. У разі зміни координат колірності контролер змінює параметри імпульсів живлення так, щоб координати діаграми колірності залишалися в межах білого світла.

На етапі ініціалізації необхідно налаштувати ланцюги живлення світлодіодів так, щоб струм, що живить світлодіоди був у 2 рази вище оптимального. Встановити в системі управління коефіцієнти шпаруватості ШІМ на рівні 0,5. Занести в пам'ять пристрою управління коефіцієнти, отримані від датчика освітленості для кожного каналу. На етапі автоматичної підтримки балансу білого і потужності випромінювання необхідно прочитувати значення датчика освітленості для кожного каналу і провести розрахунок коефіцієнтів ШІМ для кожного каналу за формулою: ШІМ = АЦПет * ШІМет / АЦПвим, де АЦПет еталонне значення сигналу зворотного звязку (ЗЗ), отримане на етапі ініціалізації; ШІМет – еталонне значення ШІМ, отримане на етапі ініціалізації; АЦПвим виміряне значення сигналу ЗЗ. Занести нові значення ШІМ в кожен канал керування. Рознесення процесу оптимізації потужності світлового випромінювання RGB складових у часі дозволяє відмовитися від використання фотоприймачів зі світлофільтрами.

Питання, повязані з характеристикою матричного світлодіодного випроміню-вача, визначеного багатьма параметрами корисно представляти за допомогою однієї величини, наприклад, визначника матриці. Матричний алгоритм WZ-перетворення однозначно визначає реалізований ним закон функціонування мікропроцесора, що керує матричним світлодіодним табло та контролює його світлотехнічні характерис-тики. Цей формалізований алгоритм дозволяє звести рішення матричної системи рівнянь n-го порядку після декомпозиції підсистем до рішення матричних рівнянь не вище другого порядку. Крім того, цей алгоритм дозволяє здійснити регулярну структуру обчислювального пристрою з розпаралеленням процесу рішення матрич-них систем рівнянь великої розмірності, що є привабливим з точки зору використан-ня КМОН технології.

Алгоритм WZ-перетворення для матриці Н і рішення системи рівнянь розглянемо на прикладі щільної матриці четвертого порядку. Припустимо, що матриця Нi  представлена у вигляді:

Цю матрицю за допомогою WZ-перетворення  можна представити у вигляді Wi і Zi  матриць

де елементи матриць Wij і Zij знаходяться в наступному співвідношенні:

а елементи щ21, щ24, щ31, щ34  і  z22, z23, z32, z33 обчислюються в результаті рішення двох систем рівнянь другого порядку:

Отримаємо   співвідношення   для   розрахунку  мультиплікативних  операцій  у  

залежності від розміру n вихідної матриці при програмуванні підматриць W і Z, вирішення системи лінійних алгебраїчних рівнянь і загального числа мультипліка-тивних операцій.

Для непарного n  виконують формування підматриці W, Z і вирішують рівняння:  

Загальне число мультиплікативних операцій для непарного n  визначають та-ким чином:

 Для парного n  виконують формування  підматриці W, Z і вирішують рівняння:

Загальне число мультиплікативних операцій для парного n  визначають таким чином: 

Із зростанням n забезпечується зниження кількості мультиплікативних операцій у порівнянні з алгоритмом виключення Гаусса, де кількість мультиплікативних опе-рацій для квадратної підматриці розмірністю n *  n  рівне n3 /3.

Тепер розглянемо процес рішення систем після WZ-перетворення. Представимо систему у вигляді двох підсистем

Після рішення рівнянь (4) знаходимо вектор Yi , а потім, підставивши його значення в рівняння (5) обчислимо вектор невідомих  Xi.

Розглянуто методи синтезу спеціалізованих процесорів обробки інтенсивних потоків інформації для матричних світлодіодних джерел білого світла з використан-ням процедури у вигляді машинних команд. Розроблено структуру спеціалізованого процесора для операцій над матрицями (рис. 8) та представлено часову діаграму роботи пристрою управління (рис.9), запропоновано архітектуру системи обробки інформації на базі розробленого спеціалізованого процесора в реальному часі. 

 У додатках наведено структурно-функціональну схему процесора, розроблену програму мікроконтролера, документи про використання результатів дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі  розроблені та досліджені нові алгоритми та програмно-апаратні засоби організації мікропроцесорного керування світлодіодними джерелами білого світла. На основі проведених досліджень отримані наступні основні результати:

  1.  Уперше розроблено технологію і схемотехнічні рішення, які дозволили поєднати в спільний конструктив твердотільне джерело світлодіодного випромінювання на матеріалах групи A3B5 з швидкодіючим контролером на кремнії, що представляє собою оптоелектронну інтегральну схему джерела світла, яка дозволяє сприймати інформацію еквівалентну енергетичній ефективності більше ніж 150 лм/Вт.
  2.  Уперше реалізований динамічний режим живлення матриць надяскравих світлодіодів з використанням алгоритму зворотного зв'язку по світловому потоку для забезпечення балансу білого світла і збільшення їх енергетичної ефективності, вираженої у лм/Вт.
  3.  Уперше експериментально досліджені методи поєднання в спільний кон-структив твердотільного джерела білого світла на матеріалах групи А3В5 і схеми керування на основі мікропроцесора на кремнії.
  4.  Запропоновано і використано ефективний алгоритм рішення СЛАР великої розмірності, заснований на блоковій декомпозиції і розпаралеленню процесу рішення систем рівнянь з використанням методу WZ-перетворення для керування матричними світлодіодними випромінювачами із сенсорами зворотного зв'язку і їхнього контролю.
  5.  Розроблено спеціалізований процесор для операцій над матрицями для прискорення процесу керування матричними світлодіодними випромінювачами.
  6.  Розроблено джерела імпульсного живлення для матриць світлодіодів, що оптимізовані з урахуванням реалізації їх в інтегральному виконанні в єдиному конструктиві зі структурами  гетероелектронних шарів.

Отримані результати дозволили створити і впровадити в ДП МФ “Артем”  джерела імпульсного живлення на основі цифрових інтегральних компонентів для світлофорів, двовимірні матриці світлодіодів, інформаційні екрани. Розроблені схеми впроваджені у виробництво і використовуються в системах салонного освітлення вагонів КП „Київський метрополітен”.

ОСНОВНІ ПОЛОЖЕННЯ ДИСЕРТАЦІЇ

ОПУБЛІКОВАНІ В ТАКИХ ПРАЦЯХ:

  1.  Радкевич О.І. Ефективний алгоритм рішення систем рівнянь для пристрою операцій над матрицями / О.І. Радкевич // Проблеми інформатизації та управління. – 2006. – № 16. – С. 129–133.
  2.  Радкевич О.І. Енергетична ефективність твердотільних інтегральних джерел білого світла / О.І. Радкевич, В.Г. Вербицький, В.О. Завалішин, В.І. Осінський // Транспортні системи і технології. – 2006. – № 10. – С. 101–108.
  3.  Осинский В.И. Тепловые процессы при динамическом питании матриц сверхярких    светодиодов   /     В.И. Осинский,   А.Н. Рубанчук,   А.И. Радкевич,

   М.П. Бойко, Ю.Е. Николаенко, В.А. Завалишин, В.Г. Вербицкий, Н.Н. Ляхова //                                Электроника и связь. 2006. № 2. – С. 5–10.

  1.  Radkevich A.I. Microprocessor driving of RGB white light sources based on integral LED matrixes / A.I. Radkevich, V.A. Zavalishyn, D.S. Murchenko //  XVII International Symposium ‘2009 ADVANCED DISPLAY TECHNOLOGIES October 05–09, 2009. – Crimea, Ukraine, 2009. – P. 15–16.
  2.  Осінський В.І. Діодне джерело загального освітлення одержане гібридною інтеграцією  А3В5  RGB  чипів  з   транзисторними структурами / В.І. Осінський, В.О. Завалішин, О.І. Радкевич, Д.С. Мурченко, І.А. Тучинський, Ю.П. Троценко, В.П. Грунянська // Электроника и связь. Тематический випуск «Проблемы электроники». – 2008. – Ч. 1.  – С. 84–89.
  3.  Пат. № 19536 А Україна, MKI G06F7/44. Багаторозрядний пристрій множення чисел з плаваючою комою / Нагорний Л.Я., Радкевич О.І., Сидорчук О.Д.; Київський інститут інженерів цивільної авіації; заявл. 30.06.93; опубл. 25.12.97, Бюл. № 6 – 8 с.
  4.  Пат. № 25421 А Україна, MKI G06F15/173. Пристрій для операцій над матрицями / Нагорний Л.Я., Радкевич О.І.; Київський інститут інженерів цивільної авіації; заявл. 14.04.95; опубл. 25.12.98, Бюл. № 6. – 8 с.
  5.  Радкевич  А.И.  КМОП  процессор   обработки   больших   потоков   информации /

А.И. Радкевич // III International Conf. on Optoeleсtronic Information Technologies     ”PHOTONICS-ODS 2005”  April 27–29, 2005. – Vinnytsia, 2005. – P. 126.

  1.  Радкевич А.И. Декомпозиция и распараллеливание решения систем линейных алгебраических уравнений большой размерности с применением метода WZ-пре-образования / А.И. Радкевич // V Междунар. науч.-техн. конф., 2325  ноября 2005: тезисы докл. Зеленоград, 2005.С. 2122.
  2.  Осинский В.И. Микропроцессорное управление диодными источниками белого света / В.И. Осинский, А.И. Радкевич, А.Н. Рубанчук, А.Г. Шеревеня // III Всероссийская  конф.,  0709  июня  2004:  тезисы  докл.Москва,  2004. – Т. 2.

     С. 166167.

  1.  Радкевич А.И. Процессор параллельно-конвейерной обработки потоков цифровой информации   для   вычисления   траектории   движения   летательных  объектов  /

А.И. Радкевич // III Междунар. науч.-техн. конф., 1719 мая 1995: тезисы докл. –    Киев, 1995. – С. 64.  

  1.  Радкевич О.І. Модель спеціалізованого мікропроцесора основана на відліку часових інтервалів / О.І. Радкевич // ХVI Звітна наук.-техн. конф., 12–17 квітня 1996: тези доп. – Київ, 1996. – С. 82.

АНОТАЦІЯ

Радкевич О.І. Розробка мікропроцесорного керування матричними світло діодними випромінювачами. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.05 – компютерні системи та компоненти. – Державне підприємство „Науково-дослідний інститут мікроприладів” НТК „Інститут моно-кристалів” НАН України, Київ, 2010.

У дисертації представлені результати дослідження мікропроцесорного керуван- ня матричними світлодіодними випромінювачами. Здійснено динамічний режим живлення матриць надяскравих світлодіодів з використанням широтно-імпульсно-модульованого регулювання струму та алгоритму зворотного зв'язку по світловому потоку. Сформована сукупність критеріїв для створення спеціалізованого  процесо-ра, поєднаного в одному кристалі зі структурами гетероелектроніки для обробки потоків інформації, одержуваних при освітленні об'єктів матричними діодними джерелами білого світла. Досліджено і розроблено метод керування RGB матричними діодними джерелами світла для збільшення їх енергетичної ефектив-ності вираженої люменах на ват. Досліджено способи суміщення в спільний кон-структив твердотільного джерела білого світла на матеріалах групи A3B5 та їх твердих розчинах і схеми керування на основі мікропроцесора на кремнії. Розроблено спеціалізований мікропроцесор, що функціонує з використанням   алго-ритму WZ-перетворення для  операцій  над  матрицями  і досліджено його основні характеристики.

Ключові слова: КМОН-транзистор, спеціалізований процесор, матриця надяскравих світлодіодів, матеріали групи А3В5, баланс білого світла, WZ-перетворення.

АННОТАЦИЯ

Радкевич А.И. Разработка микропроцессорнoго управления матричными светодиодными излучателями.  Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.05 – компьютерные системы и компоненты. – Государственное предприятие „Научно-исследовательский институт микроприборов” НТК „Институт монокристаллов” НАН Украины, Киев, 2010.

В диссертации представлены результаты исследования микропроцессорного управления матричными светодиодными излучателями для поддержания баланса белого света в твердотельных интегральных энергосберегающих источниках света.

Реализован динамический режим питания матриц сверхярких светодиодов с использованием алгоритма обратной связи по световому потоку для снижения деградационных процессов матричных светодиодных излучателей.

Сформирована совокупность критериев для создания специализированного  процессора, объединенного в одном кристалле с твердотельным интегральным источником белого света для обработки потоков информации, получаемых при освещении объектов матричными светодиодными источниками белого света.

Исследован и разработан метод управления RGB матричными светодиодными источниками света для увеличения их энергетической эффективности, выраженной в лм/Вт. Разработан метод оптимизации мощности излучения RGB составляющих с разнесением во времени, позволяющий исключить светофильтры для сенсоров световых потоков светодиодов.

Исследованы способы совмещения в общий конструктив твердотельного источ-ника белого света на материалах группы A3B5 и схемы управления на основе микро-процессора на кремнии. Для совместного использования кремния и арсенида галлия в монолитных структурах обоснованы несколько путей: первый – гетероэпитаксия арсенида галлия в окнах маски из двуокиси кремния, созданных на поверхности кремния, при этом на структуру эпитаксиальных слоев могут влиять расхождения параметров решеток и температурных коэффициентов расширения соединяемых материалов. Второй – заращивание арсенидом галлия сквозных отверстий в крем-ниевой подложке путем гомо- или гетероэпитаксии на зародышевой пластине из соединений А3В5, приведеной в контакт с маской на кремнии.

Для управления массивом светоизлучающих RGB источников света предложен и использован эффективный алгоритм WZ-преобразования матриц, который харак-теризуется высокой степенью внутреннего параллелизма. WZ – алгоритм сводит решение системы уравнений n-го порядка после декомпозиции подсистем к решению уравнений только второго и первого порядка. Кроме того, этот алгоритм позволяет осуществить регулярную структуру вычислительного устройства. Разра-ботан специализированный микропроцессор, функционирующий с использованием алгоритма WZ-преобразования для операций над матрицами и исследованы его основные характеристики.

Ключевые слова: КМОП-транзистор, специализированный процессор, матрица сверхярких светодиодов, материалы группы А3В5, баланс белого света,
WZ-преобразование.

ABSTRACT

Radkevich A.I. To working of management of matrix light-emitting diode by means of the microprocessor. – The Manuscript.

Dissertation on the competition of graduate degree of candidate of engineerings sciences on speciality 05.13.05 are the Computer systems and components. Research Institute of Microdevices NAS of Ukrainian.

The results of research of microprocessor management matrix light emitting diodes are presented in dissertation. The dynamic power supply of matrices of super light emitting diodes is realized with the use of algorithm of feed-back on a light stream. The aggregate of criteria is formed for creation of the specialized  processor, incorporated in one crystal with the structures of geteroelektroniki for treatment of streams of information, objects got at illumination by the matrix diode sources of white light. Investigational and developed management method RGB by the matrix diode sources of light for the increase of their power efficiency. The methods of combination in the general corps of solid state source of white light are investigational on materials of group  A3B5  and  management charts on the basis of microprocessor in silicon. The specialized microprocessor, functioning with the use of   algorithm, is developed WZ are transformations  for  operations  above  matrices  and his basic descriptions are investigational.

Key words: CMOS-transistor, specialized processor, matrix of super light emitting diodes, materials of group A3B5, balance of white light, WZ-factorization.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

67480. ЭЛЕКТРОН В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ 550.5 KB
  Имея полный гамильтониан, легко убедиться, что он коммутирует с При этом не входит в уравнение, а потому по проекции полного момента будет вырождение. Энергетические уровни будут характеризоваться собственными значениями трех первых операторов...
67481. НАУКА “РОБОТОТЕХНІКА”, ІСТОРІЯ РОЗВИТКУ ТА ОСТАННІ ДОСЯГНЕННЯ 236 KB
  Робототехніка і гнучкі виробничі системи є найважливішою технічною основою інтенсифікації виробництва. Це, з одного боку, дітище науково-технічного прогресу, а з іншою — його рушійна сила в розвитку сучасного промислового виробництва.
67482. Завдання, організація та актуальні питання медичної служби Збройних Сил України на воєнний час 148 KB
  Навчальна та виховна мета: розкрити найбільш складні та актуальні питання щодо ролі та місця у військовій медицині наукової дисципліни організації медичного забезпечення військ; ознайомити з організаційною структурою медичної служби ЗС України та її завданнями на воєнний час...
67483. ПОНЯТТЯ ТА СИСТЕМА ПРИРОДНОРЕСУРСОВОГО ПРАВА 145 KB
  Наукове значення природи полягає в безкінечній різноманітності об’єктів та процесів, які її складають і потребують вивчення. Іншими словами, природа є важливим джерелом наукових знань, основою для розвитку різноманітних галузей науки.
67484. РОБОТОТЕХНІЧНІ СИСТЕМИ (РТС), ЇХ СТРУКТУРА 337 KB
  Роботизований технологічний процес технологічний процес в якому в ролі основного технологічного устаткування використовуються промислові роботи і маніпулятори. З цією метою роботи доцільно сполучити з таким технологічним устаткуванням яке оснащене числовим програмним...
67485. Предприятие в условиях рыночной экономики 280 KB
  Цель моей работы рассмотреть и показать на примере, как предприятие функционирует в условиях рыночной экономики, какие виды и организационно-правовые формы предприятия существуют, какую роль играет ценообразование и какие методы планирования применяют предприятия.
67486. Экономика природопользования 353.5 KB
  Экономические механизмы природопользования Реализация экономических механизмов осуществляется через многие институты: кадастры своды экономических экологических организационных и технических показателей характеризующих количество и качество природного ресурса а также категории...
67487. Основы экологического права 216 KB
  Экологическое право является важным инструментом используемым государством в интересах сохранения и рационального использования окружающей природной среды. Нормами экологического права следует считать правила поведения регулирующие отношения людей по поводу охраны и использования окружающей природной среды.
67488. Конфликтология как наука: объект, предмет, функции, методы исследования конфликтов 127.5 KB
  Конфликтология как наука: объект предмет функции методы исследования конфликтов Ключевые понятия лекции Структура конфликта Принцип детерминизма Динамика конфликта Принцип системности Разрешение конфликта Принцип развития Конфликтное взаимодействие Структурно-функциональный...