Ανά πτυξη άλγορί θμου άυτο μάτης άνάγνώρίσης φορτί ου γίά εφάρμογε ς φώτίσμου DigitalSTROM

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ανά πτυξη άλγορί θμου άυτο μάτης άνάγνώρίσης φορτί ου γίά εφάρμογε ς φώτίσμου DigitalSTROM Πάτροκλος Αναγνώστου, ΑΕΜ:6889 Διπλωματική εργασία, 2013 Επιβλέπων καθηγητής: Αλκιβιάδης Α.Χατζόπουλος

2

3 Σύνοψη ΣΥΝΟΨΗ Ένα σύστημα DigitalStrom, με σκοπό τη δημιουργία περιβάλλοντος «έξυπνου» σπιτιού, θα πρέπει να είναι σε θέση να διαθέτει όσο το δυνατόν περισσότερες πληροφορίες για τα φορτία που είναι συνδεδεμένα σε καθεμία από της τερματικές οντότητες του συστήματος και να μπορεί να τα χειρίζεται με ασφάλεια. Το διαθέσιμο υλικό νέας γενιάς κάνει εφικτή βελτιωμένη δειγματοληψία και επεξεργασία μετρικών του φορτίου που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναβαθμιστεί η εμπειρία του χρήστη. Υλοποιείται αλγόριθμος αναγνώρισης φορτίου, ο οποίος αρχικά επιχειρεί να ανιχνεύσει κατά την ενεργοποίηση πιθανή αλλαγή του φορτίου, εάν έχει προηγηθεί ικανός χρόνος μη λειτουργίας, με μέθοδο δακτυλικού αποτυπώματος. Εάν ανιχνευτεί τέτοια αλλαγή, το φορτίο ελέγχεται για το αν είναι ασφαλές από άποψη ρεύματος εισροής, κατανάλωσης ισχύος και χωρητικότητας εισόδου. Τα ασφαλή φορτία ελέγχονται εάν περιέχουν δομή SMPS, εάν η φωτεινότητά τους μπορεί να ρυθμιστεί ή όχι και εάν είναι καταλληλότερο να γίνει μια τέτοια ρύθμιση μέσω της μεθόδου leading ή trailing edge. Γίνεται επίσης εκτίμηση μιας καμπύλης dimming μέσω μέτρησης της ισχύος και εντοπίζονται δυνητικά περιπτώσεις ιδιαζόντων φορτίων. Επιπρόσθετα, προτείνεται και εξετάζεται μια μέθοδος ώστε να ανιχνεύεται το πιθανό τρεμόπαιγμα της φωτεινότητας. Τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ικανοποιητικά ποσοστά επιτυχίας με ελάχιστες περιπτώσεις εσφαλμένων συναγερμών. Μια ανασκόπηση των αδυναμιών του αλγορίθμου και των δυνατοτήτων του κάνει φανερό πως υπάρχει χώρος για μελλοντικές βελτιώσεις και επεκτάσεις. 3

4 Abstract ABSTRACT Development of a load recognition algorithm for DigitalStrom light applications DigitalStrom systems, in the direction of providing smart home solutions, need to be able to have as much information as possible about the loads connected in each of the system s modules and be able to operate them safely. New generation hardware enables advanced sampling and processing of load metrics that can be used to enhance the user experience. A load recognition algorithm is implemented, that initially attempts to recognize potential load changes on each power-up after long enough switched off period, through a fingerprinting method. On detection of such changes, the load is checked if safe in terms of inrush current, power consumption and input capacitance. Safe loads are checked on whether they contain SMPS structure, whether they are dimmable or not and whether they are suitable to be dimmed by leading or trailing edge method. Also, a dimming curve is estimated through power measurement and potential cases of special loads are detected. In addition, a method for detecting flickering of the load is proposed and tested. Results indicate satisfying success percentages with minor cases of false alarms. A review of the algorithm s weak spots and potential indicates that there is room for future improvements and extensions. Anagnostou Patroklos selportion@yahoo.gr Department of Electrical and Computer Engineering Aristotle University of Thessaloniki October

5 Περιεχόμενα ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ Σύνοψη... 3 Abstract... 4 Περιεχόμενα... 5 Εισαγωγή Κεφάλαιο 1: Εισαγωγικές Έννοιες Οι τύποι φορτίων Κατηγοριοποιήσεις των τύπων φορτίων Γραμμικά φορτία Μη γραμμικά φορτία Τύποι λαμπτήρων Dimming Dimming πλάτους ημιτόνου Leading edge dimming Trailing edge dimming PWM dimming Non-dimmable λαμπτήρες Υπάρχουσα βιβλιογραφία DigitalStrom & το τσιπ dsc Τι είναι το digitalstrom Η λειτουργικότητα του dsc Οι δυνατότητες του dsc20 στην αναγνώριση φορτίου: η μονάδα UIADC Οι δυνατότητες του dsc20 στο dimming: η μονάδα PWM_PHASE Κεφάλαιο 2: Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Απαιτήσεις επιθυμητές έξοδοι Προκλήσεις Το Setup του συστήματος Ανάλυση απαιτήσεων Ανίχνευση αλλαγής φορτίου Διερεύνηση αν το φορτίο είναι ασφαλές Έλεγχος του αν το φορτίο είναι dimmable Προσδιορισμός της βέλτιστης μεθόδου dimming Αναγνώριση DS συσκευών Αναγνώριση DorS λαμπτήρων

6 Περιεχόμενα Καμπύλες dimming Ανίχνευση flickering Κεφάλαιο 3: Υλοποίηση του Αλγορίθμου Οι καταστάσεις Η ακολουθία αποτυπώματος Η κύρια ακολουθία αναγνώρισης φορτίου Έλεγχος flickering Μέγεθος μνήμης, ακρίβεια και θέματα συγχρονισμού Κεφάλαιο 4: Αποτελέσματα Αποτελέσματα ακολουθίας αποτυπώματος Αποτελέσματα υπό ripple control Αποτελέσματα κύριας ακολουθίας αναγνώρισης φορτίου Αποτελέσματα ελέγχου flickering Επικύρωση των στατιστικών μετρήσεων του dsc Τάση (UADC) Ρεύμα (IADC) Ισχύς (UIADC) Βασική φάση (UIADC Sync) Αδύναμα σημεία και πιθανές βελτιώσεις Γνωστά αδύναμα σημεία Πιθανές βελτιώσεις και προσθήκες Επίλογος Βιβλιογραφία - Πηγές Παράρτημα Έξοδος αλγορίθμου για όλα τα φορτία ΛΙΣΤΑ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1-1: Αφαιρετικό παράδειγμα μιας δομής SMPS Σχήμα 1-2: Κυματομορφή εξόδου SMPS Σχήμα 1-3: Dimming πλάτους ημιτόνου Σχήμα 1-4: Ιδεατό leading edge dimming Σχήμα 1-5: Leading edge dimming σε ωμικό φορτίο σε έναν παλμογράφο Σχήμα 1-6: Ιδεατό trailing edge dimming Σχήμα 1-7: Κύκλοι λειτουργίας σε PWM dimming Σχήμα 1-8: Start-up ενός universal dimmer Σχήμα 1-9: Απόπειρα leading edge από universal dimmer Σχήμα 1-10: Χρωματικός κώδικας DigitalStrom Σχήμα 1-11: Τοπολογία DigitalStrom

7 Περιεχόμενα Σχήμα 1-12: Παράδειγμα εγκατάστασης DigitalSTROM Σχήμα 1-13: Κάποιες βασικές συσκευές digitalstrom Σχήμα 1-14: DigitalStrom downstream επικοινωνία Σχήμα1-15: DigitalStrom upstream επικοινωνία Σχήμα 1-16: Dsc11 upstream, η κυματομορφή του ρεύματος Σχήμα 1-17: Το block diagram του dsc Σχήμα 1-18: Το μπλοκ διάγραμμα της μονάδας UIADC Σχήμα 1-19: Η μονάδα dsc20 PWM Σχήμα 2-1: Το setup του συστήματος Σχήμα 2-2: Τα δείγματα ρεύματος σε διαφορετικές εκκινήσεις του φορτίου Σχήμα 2-3: Μέτρηση ισχύος κατά τις πρώτες στιγμές εκκίνησης φορτίου, συσχέτιση με ονομαστική ισχύ Σχήμα 2-4: Συσχέτιση ονομαστικής ισχύος με τη μέτρηση του υλικού του τσιπ Σχήμα 2-5: Χωρητικότητες σε δομές SMPS Σχήμα 2-6: Σύγκριση των κυματομορφών ρευμάτων κατά την εκκίνηση SMPS φορτίων διαφορετικής χωρητικότητας Σχήμα 2-7: Ωμικό dimmable φορτίο Σχήμα 2-8: Επαγωγικό dimmable φορτίο Σχήμα 2-9: Χωρητικό dimmable φορτίο Σχήμα 2-10: Χωρητικό non-dimmable φορτίο Σχήμα 2-11: Δείγματα ρεύματος από non-smps φορτίο, αταξινόμητα και ταξινομημένα σε αύξουσα σειρά Σχήμα 2-12: Δείγματα ρεύματος από SMPS φορτίο, αταξινόμητα και ταξινομημένα σε αύξουσα σειρά Σχήμα 2-13: Χρήση της καμπύλης κατανάλωσης ισχύος για καθορισμό των dimmable και μη φορτίων Σχήμα 2-14: PCA σε Matlab για να προσδιοριστεί κανόνας ομαδοποίησης ως προς τη μέθοδο dimming Σχήμα 2-15: Η κυματομορφή ρεύματος και τάσης του dsc11 κατά την εκκίνηση Σχήμα 2-16: Σχέση γωνίας dimming και ισχύος εξόδου Σχήμα 2-17: Η αντίληψη φωτεινότητας από το ανθρώπινο μάτι Σχήμα 2-18: Μοντέλα προσέγγισης της αντίληψης φωτεινότητας από το ανθρώπινο μάτι σε σύγκριση με το γραμμικό Σχήμα 2-19: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα CFL Σχήμα 2-20: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα LED Σχήμα 2-21: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα αλογόνου Σχήμα 2-22: Μετρήσεις ισχύος κατά το τρεμόπαιγμα ή μη λαμπτήρα Σχήμα 2-23: Μετρήσεις ρεύματος κατά το τρεμόπαιγμα ή μη λαμπτήρα Σχήμα 3-1: Οι QP States του αλγορίθμου αναγνώρισης φορτίου Σχήμα 3-2: Το διάγραμμα ροής της ακολουθίας αποτυπώματος Σχήμα 3-3: Οι μετρήσεις του ρεύματος φιλτραρισμένες με μέσο όρο 4 δειγμάτων Σχήμα 3-4: Δύο διαφορετικές λήψεις αποτυπώματος στο ίδιο φορτίο Σχήμα 3-5: Η σημασία του μέσου αποτυπώματος (πράσινη καμπύλη) για την ελαχιστοποίηση αποκλίσεων Σχήμα 3-6: Το διάγραμμα ροής της κύριας ακολουθίας

8 Περιεχόμενα Σχήμα 3-7: Πιθανές κυματομορφές ρεύματος του dsc11, ανάλογα την πολικότητα σύνδεσης του στην τάση δικτύου Σχήμα 3-8: Τα δείγματα ρεύματος του dsc11 (τιμές/ δείγματα IADC) ως προς την τάση τροφοδοσίας Σχήμα 3-9: Η κυματομορφή ρεύματος του dsc20 (τιμές/ δείγματα IADC) όπως φαίνεται στο μισό του ίδιου παραθύρου υλοποίησης Σχήμα 3-10: Ονομαστική ισχύς, ισχύς μετρημένη με βατόμετρο, ισχύς μετρημένη από τον dsc Σχήμα 3-11: Κατώφλι για κλείσιμο στη μέθοδο leading edge, (τιμές/δείγματα IADC) Σχήμα 3-12: Leading edge, καρφιά τάσης (κόκκινο) λόγω του κλεισίματος πύλης (πράσινο) όταν το ρεύμα (μωβ) δεν είναι μηδέν Σχήμα 3-13: Leading edge, τάση (κόκκινο) και γρήγορο, έγκαιρο κλείσιμο πύλης (πράσινο) όταν το ρεύμα (μωβ) είναι σχεδόν μηδέν Σχήμα 3-14: Απεικόνιση λαμπτήρων χρωματισμένων με βάση τη dimmability σε πλέγμα μετρικών αξιολόγησης Σχήμα 3-15: Format αποθήκευσης αποτελεσμάτων Σχήμα 4-1: Ένα SMPS φορτίο μόνιμα αναμμένο σε κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες ripple control Σχήμα 4-2: 500V Surge test σε μεγέθυνση Σχήμα 4-3: 500V Surge test χωρίς zoom Σχήμα 4-4: Γραφική αναπαράσταση της συσχέτισης της μετρικής 'Cin' του αλγορίθμου και του μέγιστου ρεύματος στα Surge tests Σχήμα 4-5: Απεικόνιση των πειραμάτων flickering: ρύθμιση κατωφλίου και αξιολόγηση Σχήμα 4-6: Είσοδος UADC ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 2-1: Σύγκριση αρχικής με σταθερή ισχύ, τιμές καταχωρητών Πίνακας 2-2: Διερεύνηση πιθανών συνδυασμών μετρικών για την εκτίμηση της χωρητικότητας εισόδου Πίνακας 2-3: Τα ρεύματα εισροής σε ma όπως μετρήθηκαν από τον IADC Πίνακας 2-4: Η μετρική Iratio σαν κατώφλι για το διαχωρισμό SMPS και non-smps φορτίων Πίνακας 2-5: Βασικές μετρικές στη διερεύνηση της κατηγοριοποίησης των φορτίων σαν κατάλληλα για leading ή trailing edge dimming Πίνακας 3-1: Αξιολόγηση της dimmability συσχετίζοντας τις μετρικές με την οπτική συμπεριφορά Πίνακας 4-1: Αποτελέσματα αποτυπώματος Πίνακας 4-2: Ενδεικτική λίστα σημάτων ripple control Πίνακας 4-3: Τα αποτελέσματα της ακολουθίας αποτυπώματος υπό under ripple control Πίνακας 4-4: Τα ρεύματα του πειράματος Surge συγκρινόμενα με τη μετρική 'Cin' του dsc Πίνακας 4-5: Βελτιστοποίηση και αξιολόγηση του ελέγχου flickering Πίνακας 4-6: Επικύρωση μετρήσεων τάσης Πίνακας 4-7: Επικύρωση μετρήσεων ρεύματος

9 Περιεχόμενα Πίνακας 4-8: Επικύρωση μετρήσεων ισχύος Πίνακας 4-9: Επικύρωση μετρήσεων βασικής φάσης ΑΡΚΤΙΚΟΛΕΞΑ DS DorS PWM SMPS CFL HID ADC dsc dsm dss dsd UDI μp JTAG UART GPIO PLC SPI I2C SONOS NILM NIALM EMF PLL DigitalStrom Dimming On Random Switches Pulse Width Modulation Switched Mode Power Supply Compact Fluorescent Lamp High Intensity Discharge Analog to Digital Converter DigitalStrom Chip DigitalStrom Meter DigitalStrom Server DigitalStrom Device Universal Device Interface MicroProcessor Joint Test Action Group Universal Asynchronous Receiver/Transmitter General Purpose Input Output Power Line Communications Serial Peripheral Interface Inter IntegratedCircuit Silicon-Oxide-Nitride-Oxide-Silicon Nonintrusive Load Monitoring Nonintrusive Appliance Load Monitoring ElectroMagnetic Field Phase Locked Loop ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ Θερμές ευχαριστίες στην εταιρία AIZO, Brandstrasse 33, CH-8952 Schlieren, Switzerland, όλους τους εργαζόμενους της, και τον επιβλέπων καθηγητή κ.αλκιβιάδη Χατζόπουλο χωρίς τους οποίους δεν θα ήταν δυνατή η εκπόνηση της εργασίας αυτής, όπως επίσης και στη φοιτητική οργάνωση IAESTE, χωρίς το έργο της οποίας δεν θα είχα αυτήν την ευκαιρία. 9

10 Εισαγωγή ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στις εγκαταστάσεις της Aizo AG στην Ελβετία ως διπλωματική για το τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών ΗΥ του ΑΠΘ. Η Aizo AG δραστηριοποιείται στην αγορά των Επικοινωνιών Γραμμής Ρεύματος (Power Line Communication), με κατεύθυνση τη δημιουργία ενός συστήματος «έξυπνου» σπιτιού, χρησιμοποιώντας τεχνολογία DigitalSTROM. Ένα τέτοιο σύστημα στοχεύει στη χρήση του ήδη υπάρχοντος ηλεκτρικού δικτύου, για να υλοποιήσει ένα συγκεντρωτικό σχήμα επικοινωνίας, με τη διασύνδεση ηλεκτρικών συσκευών στο σπίτι και τη διαχείρισή τους. Η διπλωματική αυτή έχει σαν αντικείμενο την ανάπτυξη ενός αλγορίθμου που είναι σε θέση να αναγνωρίσει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του φορτίου που είναι συνδεδεμένο σε καθεμία από τις τερματικές οντότητες επόμενης γενιάς, τους dsc20, αξιοποιώντας τους πόρους υλικού και λογισμικού τους. Η υπάρχουσα ως τώρα δουλειά που έχει γίνει πάνω στο αντικείμενο επικεντρώνεται περισσότερο σε αναγνώριση προτύπων μετά από παρακολούθηση της κατανάλωσης φορτίων για μεγάλο χρονικό διάστημα, με στόχο την εύρεση του τύπου φορτίου, χωρίς να διακρίνονται οι συσκευές φωτισμού σε υπο-κατηγορίες. Κομμάτι της δουλειάς στον χώρο βρίσκεται και σε καταχωρημένες πατέντες οι οποίες αποτελούν είτε συγκεκριμένες μεθόδους βασισμένες σε υλικό για αναγνώριση φορτίων είτε σε υλοποιήσεις περιορισμένες σε θεωρητικό επίπεδο, μη-υλοποιημένων συστημάτων. Οι υπάρχουσες πληροφορίες συχνά είναι συσχετισμένες με την έννοια universal dimmer, μια συσκευή που μπορεί να αναγνωρίσει και να ρυθμίσει κατάλληλα τη φωτεινότητα συσκευών οποιουδήποτε τύπου. Καθώς κάθε προσέγγιση για αναγνώριση φορτίου είναι σε σημαντικό βαθμό εξαρτώμενη από το υλικό και καθορίζεται ανάλογα με τις πληροφορίες που χρειάζεται να εξαχθούν σχετικά με το φορτίο, η διπλωματική αυτή βασίζεται σε γενικές προσεγγίσεις και θεωρητικά στοιχεία, επιχειρώντας να βρει εφαρμογή αυτών στους απαραίτητους πόρους και ανάγκες του συστήματος. Οι θεμελιώδης στόχος του αλγορίθμου είναι να διασφαλιστεί πως οι συσκευές φωτισμού που συνδέονται μπορούν να λειτουργήσουν με ασφάλεια και να κατηγοριοποιηθούν σε κατάλληλες για leading edge dimming ή trailing edge dimming. Μια λάθος απόφαση σε αυτό το σημείο μπορεί να έχει καταστρεπτικές επιπτώσεις, προξενώντας βλάβη όχι μόνο στη συσκευή φωτισμού αλλά δυνητικά και στο τσιπ του dsc20. Πέρα από αυτόν τον στόχο, ο αλγόριθμος επιχειρεί να συλλέξει όσο το δυνατόν περισσότερες άλλες χρήσιμες πληροφορίες για το φορτίο, ανιχνεύοντας ιδιάζουσες περιπτώσεις, βελτιώνοντας την ποιότητα dimming και αποφεύγοντας οπτικά δυσάρεστα φαινόμενα. Αυτές οι πληροφορίες παρέχονται στο σύστημα για να βελτιωθεί η εμπειρία χρήστη και να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα αστοχιών, αλλά το πως γίνεται η χρήση αυτών τω πληροφοριών είναι πέρα από το αντικείμενο της παρούσας εργασίας. Καθώς το σύστημα είναι απαραίτητο να έχει πάντα ανανεωμένες πληροφορίες για το πως να χειριστεί το τρέχον φορτίο, ένα σημαντικό κομμάτι της διαδικασίας είναι να ανιχνευτούν πιθανές αλλαγές φορτίου και να τρέξει η πλήρης έκδοση του αλγορίθμου ξανά ώστε να κατηγοριοποιηθεί το νέο φορτίο. Στο παρόν έγγραφο, αρχικά παρουσιάζονται οι πιο δημοφιλείς κατηγοριοποιήσεις φορτίων και ιδιαίτερα συσκευών φωτισμού, δίνοντας έμφαση στον διαχωρισμό ως προς τις κατηγορίες που αφορούν τη διπλωματική. Στη συνέχεια, ακολουθεί σύντομη αναφορά στην υπάρχουσα δουλειά που έχει γίνει στον τομέα και έπειτα αναλύεται συνοπτικά η έννοια του DigitalSTROM, εξηγώντας τη βασική 10

11 Εισαγωγή λειτουργικότητα και τις δυνατότητες των πόρων που θα αξιοποιηθούν από τον αλγόριθμο. Τα παραπάνω, κλείνοντας το πρώτο κεφάλαιο, παρέχουν στον αναγνώστη το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο ώστε να κατανοήσει τον αλγόριθμο. Στο δεύτερο κεφάλαιο, παραθέτονται οι απαιτήσεις από τον αλγόριθμο και οι προκλήσεις που ανακύπτουν από αυτές. Στη συνέχεια, παρουσιάζεται το setup που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις, την ανάπτυξη, τον προγραμματισμό, την εκτέλεση και την παρακολούθηση των οντοτήτων που εμπλέκονται. Έπειτα, η ανάλυση της κάθε απαίτησης, σε συνδυασμό με τις δυνατότητες του συστήματος, σχηματίζουν τον αλγόριθμο. Η υλοποίηση του αλγορίθμου παρουσιάζεται λοιπόν στο τρίτο κεφάλαιο, δίνοντας έμφαση στις λεπτομέρειες της υλοποίησης που σχετίζονται με τις ιδιαιτερότητες του dsc20. Στο τέταρτο κεφάλαιο δίνονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα για το κάθε κομμάτι του αλγορίθμου, διερευνώντας παράλληλα την επίδραση που θα είχαν σε αυτά κάποιες ιδιαίτερες περιπτώσεις. Στο τέλος, γίνεται αναφορά στα αδύνατα σημεία του αλγορίθμου και τις πιθανές μελλοντικές αναβαθμίσεις του. 11

12 Εισαγωγικές Έννοιες Κεφάλαιο 1: ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΈΝΝΟΙΕΣ Αυτό το κεφάλαιο παρέχει το θεωρητικό υπόβαθρο σχετικά με τις δυνατές κατηγοριοποιήσεις φορτίου και λαμπτήρων, καθώς επίσης και σχετικά με τις μεθόδους dimming και την υπάρχουσα δουλειά που έχει γίνει στον τομέα της αναγνώρισης φορτίου. Προχωράει περιγράφοντας την έννοια του DigitalStrom και πως τα τσιπ επόμενης γενιάς μπορούν να ελέγχουν τη βαθμίδα εξόδου και να δειγματοληπτούν μετρικές όπως η τάση και το ρεύμα εκεί ΟΙ ΤΥΠΟΙ ΦΟΡΤΙΩΝ ΚΑΤ ΗΓΟΡΙΟ ΠΟΙ ΗΣΕΙΣ Τ ΩΝ Τ Υ ΠΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ Εάν ένα ηλεκτρικό κύκλωμα έχει καλά ορισμένα άκρα εξόδου, τότε το κύκλωμα που συνδέεται σε αυτά τα άκρα (ή η αντίσταση εξόδου του), ορίζεται σαν φορτίο στο πρώτο. Τα ηλεκτρικά φορτία μπορούν να ταξινομηθούν σε διάφορες κατηγορίες, ανάλογα με το κριτήριο κατηγοριοποίησης, όπως παρακάτω [1]: Ως προς τη φύση του φορτίου (1) a. Ωμικά b. Χωρητικά c. Επαγωγικά d. Συνδυαστικά Ως προς τη φύση του φορτίου (2) a. Γραμμικά b. Μη γραμμικά Ως προς τη λειτουργία του φορτίου a. Φωτισμού b. Μικρές Συσκευές γενικής χρήσεως c. Φορτία Ισχύος Ως προς την κατηγορία του καταναλωτή του φορτίου a. Οικιακά ηλεκτρικά φορτία b. Εμπορικά ηλεκτρικά φορτία c. Βιομηχανικά ηλεκτρικά φορτία d. Δημοτικά/Δημόσια ηλεκτρικά φορτία (Φωτισμός δρόμων, ισχύς που χρειάζεται για την παροχή ύδρευσης και άντλησης, κτλ) Ως προς το βαθμό ομαδοποίησης του φορτίου a. Μεμονωμένα φορτία b. Φορτία περιοχής (κέντρα φορτίων) Ως προς τον προγραμματισμό φορτίων a. Υπάρχοντα ηλεκτρικά φορτία b. Μελλοντικά ηλεκτρικά φορτία c. Νέα ηλεκτρικά φορτία Ως προς το χρόνο λειτουργίας των φορτίων a. Συνεχή b. Μη συνεχή c. Διακοπτικά d. Περιοδικά e. Σύντομου χρόνου Ως προς τη σημασία του φορτίου 12

13 Εισαγωγικές Έννοιες a. Ζωτικής σημασία φορτία (Ασφάλειας ζωής) b. Σημαντικά φορτία (Φορτία έκτακτης ανάγκης) c. Μη σημαντικά φορτία (Κανονικά φορτία) Ως προς την κατανομή φορτίου ανά φάση a. Ισορροπημένα φορτία b. Μη ισορροπημένα φορτία c. Φορτία ουδετέρου d. Φορτία γραμμής-ουδετέρου Ως προς τον αριθμό των φάσεων a. Μονοφασικά b. Τριφασικά Ως προς την πραγματική τιμή φόρτισης a. Ονομαστικής φόρτισης b. Πλήρους φόρτισης c. Ποσοστού της πλήρους φόρτισης d. Απουσία φορτίου (Ανοικτό κύκλωμα) Ως προς την ταυτόχρονη ή μη ταυτόχρονη λειτουργία a. Συνδεδεμένα φορτία b. Φορτία ζήτησης Ως προς τη σύμπτωση λειτουργίας φορτίων a. Συμπίπτοντα φορτία b. Μη συμπίπτοντα φορτία Ως προς τη μέθοδο χρήσης a. Σταθερά στη θέση τους φορτία b. Φορητά φορτία Από τις παραπάνω κατηγοριοποιήσεις, για τους σκοπούς αυτής της διπλωματικής ενδιαφερόμαστε μόνο για τις 2 πρώτες. Τα παρακάτω υπο-κεφάλαια δίνουν μια ελαφρώς πιο λεπτομερή περιγραφή των δύο κύριων κατηγοριών φορτίων όπως προκύπτουν από την κατηγοριοποίηση κατά φύση ΓΡΑΜΜΙΚ Α ΦΟΡΤΙ Α Σε συνηθισμένες εφαρμογές εναλλασσόμενου ρεύματος, τα γραμμικά φορτία είναι κυρίως ηλεκτρικά φορτία όπου οι κυματομορφές της τάσης και του ρεύματος είναι ημιτονοειδείς, ακολουθώντας το πρότυπο της διέγερσης που τα τροφοδοτεί. Σε εφαρμογές σταθερού ρεύματος, το ρεύμα είναι σε κάθε στιγμή ανάλογο της τάσης. Επαγωγικά φορτία (L) Σε αυτά τα φορτία επικρατούν τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς των πηνίων: Αρνητική φάση στην αντίσταση Η τάση προηγείται του ρεύματος 0 ως 90 μοίρες Υψηλότερη επαγωγική αντίδραση (XL) σε υψηλότερες συχνότητες «Καρφιά» τάσης εάν η παροχή διακοπεί απότομα Θετικό φανταστικό μέρος στη μιγαδική αντίσταση 13

14 Εισαγωγικές Έννοιες Χωρητικά φορτία (C) Σε αυτά τα φορτία επικρατούν τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς των πυκνωτών: Θετική φάση στην αντίσταση Το ρεύμα προηγείται της τάσης 0 ως 90 μοίρες Υψηλότερη χωρητική αντίδραση (XC) σε χαμηλότερες συχνότητες «Καρφιά» ρεύματος εάν φορτιστούν απότομα Αρνητικό φανταστικό μέρος στη μιγαδική αντίσταση Ωμικά φορτία (R) Σε αυτά τα φορτία επικρατούν τα χαρακτηριστικά συμπεριφοράς των αντιστάσεων: Μηδενικό φανταστικό μέρος στη μιγαδική αντίσταση Μηδενική φάση στην αντίσταση Ρεύμα και φάση συμφασικά Συνδυαστικά φορτία Αυτός ο όρος αναφέρεται σε φορτία που συμπεριφέρονται σαν παράλληλος ή σε σειρά συνδυασμός είτε ωμικών και χωρητικών είτε ωμικών και επαγωγικών φορτίων. Όλα τα φορτία είναι ουσιαστικά συνδυαστικά, λόγω παρασιτικών φαινομένων που τα διαφοροποιούν από τις παραπάνω 3 ιδανικές περιπτώσεις ΜΗ ΓΡ ΑΜΜΙΚ Α ΦΟΡΤΙΑ Αυτός ο όρος αναφέρεται σε εκείνα τα φορτία για τα οποία το ρεύμα δεν είναι ανάλογο της τάσης. Από αυτά τα φορτία, μας ενδιαφέρουν κυρίως τα διακοπτικά τροφοδοτικά (switched mode power supplies, SMPS). SMPS Αυτά αποτελούν τροφοδοτικά ισχύος που περιέχουν στη λειτουργία τους αλλαγή της εναλλασσόμενης τάσης σε DC. Συχνά, πέρα από αυτήν τη μετατροπή, παράγουν στην έξοδο μια επιθυμητή τάση με ταχεία εναλλαγή αυτής ανάμεσα σε κατάσταση πλήρους ισχύος σε και κατάσταση αποκοπής. Ο μέσος όρος των δύο καταστάσεων, οι οποίες δεν εφαρμόζονται απαραίτητα για ίση διάρκεια, παράγει την τάση που χρειάζεται η συσκευή στην έξοδο. Το switching σε μια δομή SMPS λαμβάνει χώρα σε τόσο υψηλές συχνότητες που η ισχύς διατηρείται σε ένα βαθμό ακόμη και κατά τον νεκρό χρόνο των παλμών στην έξοδο. 14

15 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-1: Αφαιρετικό παράδειγμα μιας δομής SMPS Σχήμα 1-2: Κυματομορφή εξόδου SMPS 15

16 Εισαγωγικές Έννοιες 1.2. ΤΥΠΟΙ ΛΑΜΠΤΗΡΩΝ Αναφερόμενοι στις συσκευές που έχουν χρησιμοποιηθεί για παροχή ορατού φωτός, έχουμε τους παρακάτω τύπους λαμπτήρων [2]: Πυρακτώσεως Κανονική Αλογόνου Παραβολικού κατόπτρου αλουμινίου (PAR) Nernst Φωταύγειας Φθορισμού Φθορισμού συμπαγής Φθορισμού επαγωγική Ηλεκτροφωταύγειας Πεδίου πολυμερούς ηλεκτροφωταύγειας Εκκένωσης υψηλής εντάσεως (HID) Ατμών υδραργύρου Ιωδιδίου μεσαίου τόξου υδραργύρου (HMI) Ιωδιδίου χαλαζία-υδραργύρου (HQI) Κεραμικών αλογονούχων μετάλλων Ατμών νατρίου Εκκένωσης αερίων Τόξου δευτερίου Neon Σουφλιδίου Τόξου Xenon Xenon flash Black light Λάμπα μαυρίσματος Μικροβιοκτόνα Λάμπα ανάπτυξης Ηλεκτρικού τόξου Τόξου άνθρακα Klieg light Yablochkov candle Καύσης Ασετιλίνης/Καρβιδίου Argand Κεριού Diya Αερίου Κηροζίνης Φανάρι Limelight Πετρελαίου Ασφαλείας Κηρίου με φυτίλι από βούρλο Tilley 16

17 Εισαγωγικές Έννοιες Πυρσού Άλλες Lava lamp Φωτοδίοδος (LED) LED λάμπα Στερεάς κατάστασης (SSL) Πλάσματος Σύρμα ηλεκτροφωταύγειας Χημιφωταύγειας Ραδιοφωσφορισμού Glow stick ESL Από τους παραπάνω τύπους λαμπών, για τους σκοπούς αυτής της διπλωματικής ενδιαφερόμαστε στις πιο συνηθισμένες για οικιακή χρήση. Αυτές θα είναι οι λάμπες πυρακτώσεως, οι λάμπες αλογόνου, οι LEDs, CFLs και ESLs (Energy Saving Lamps) DIMMING Υπήρχε πάντα η ανάγκη να ρυθμιστεί η φωτεινότητα των λαμπών, κατά προτίμηση γραμμικά σε όλο το εύρος από 0 ως 100% της μέγιστης τους φωτεινότητας. Ο όρος dimming στις λάμπες περιγράφει αυτήν την ενέργεια, εννοώντας τη ρύθμιση της φωτεινότητας τους. Σε αυτήν την κατεύθυνση, υπήρξαν προσπάθειες με χρήση πολλών διαφόρων μεθόδων με ποικίλες υλοποιήσεις σε υλικό, καμία από τις οποίες δεν ήταν πλήρως επιτυχής με την έννοια πως δεν κάλυπτε όλα τα είδη φορτίων ή είχε μειονεκτήματα ως προς την απόδοση και κόστος. Καθώς το hardware δεν θα μας απασχολήσει ιδιαίτερα σε αυτό το κομμάτι της εργασίας, παρακάτω περιγράφονται οι βασικότερες μέθοδοι dimming [3]: DIMMI NG ΠΛ ΑΤΟΥΣ ΗΜΙΤΟΝΟΥ Αυτές ήταν οι πρώτες αξιόλογες προσπάθειες για dimming και αποδείχθηκαν τελικά ανεπαρκείς, χρησιμοποιούμενες σήμερα μόνο σε συγκεκριμένους τομείς. Η λειτουργία τους βασιζόταν αρχικά στη δημιουργία ενός διαιρέτη τάσης και συνεπώς την εφαρμογή μόνο ενός τμήματος της συνολικής διαθέσιμης τάσης στο φορτίο. Η υπόλοιπη τάση συνήθως εφαρμοζόταν σε κάποιο ωμικό στοιχείο. Σχήμα 1-3: Dimming πλάτους ημιτόνου Οι dimmers που βασίζονταν σε ροοστάτες ήταν ανεπαρκείς καθώς σπαταλούσαν σημαντικό τμήμα της συνολικής ισχύος, μετατρέποντάς το σε θερμότητα. Ήταν ογκώδεις και απαιτούσαν αρκετή ψύξη. Καθώς το αποτέλεσμά τους σαν dimmers εξαρτιόταν αρκετά από το συνολικό φορτίο που εφαρμοζόταν σε κάθε ροοστάτη, το 17

18 Εισαγωγικές Έννοιες φορτίο έπρεπε να ταιριαστεί με ακρίβεια στην ονομαστική ισχύ του ροοστάτη. Τέλος, καθώς βασίζονταν στον μηχανικό έλεγχο ήταν αργοί και δύσκολοι στο να αλλαχτούν πολλά κανάλια με τη μία. Η ίδια αρχή της εφαρμογής μόνο ποσοστού της συνολικής τάσης στο φορτίο, βρήκε εφαρμογή και σε dimmers με ρυθμιζόμενους μετασχηματιστές, έχοντας την ίδια επίδραση χωρίς το πρόβλημα της θερμότητας. Αυτές οι τεχνικές δεν συνηθίζονται σε οικιακές εφαρμογές και δεν θα απασχολήσουν περαιτέρω την εργασία μας LEADING EDGE DIMMI N G Οι σύγχρονοι dimmers που επικρατούν στην αγορά χρησιμοποιούν την αποκαλούμενη «cutting technology» για dimming [4]. Αυτή λειτουργεί αποκόπτοντας κομμάτι από την τάση δικτύου για να αλλάξουν την RMS τιμή της τάσης που τροφοδοτεί τον λαμπτήρα. Η φωτεινότητα του λαμπτήρα μπορεί έτσι να ελεγχθεί με αύξηση ή μείωση της RMS τιμής τάσης και συνεπώς της ισχύος που εφαρμόζεται στον λαμπτήρα. Υπάρχουν δύο τρόποι αποκοπής της τάσης δικτύου: είτε αποκόπτοντας τμήμα της αρχής κάθε ημιπεριόδου του ημιτόνου είτε τμήμα του τελειώματος. Ένας dimmer που αποκόπτει τμήμα της αρχής ονομάζεται leading edge dimmer. Σχήμα 1-4: Ιδεατό leading edge dimming Ο ενεργός διακόπτης για χαμηλή ως μέση ισχύ είναι σχεδόν πάντα ένας TRIAC (TRIode for Alternating Current) για τυπικούς οικιακούς dimmers. Όταν ο TRIAC ενεργοποιηθεί, το σήμα από το δίκτυο εφαρμόζεται πάνω στο φορτίο. Σαν παράδειγμα, στο Σχήμα 1-4 η κυματομορφή τάσης πάνω στο φορτίο για έναν leading edge dimmer τίθεται στο 50%, με τις πρώτες δύο περιόδους (πράσινο) να παρουσιάζονται πλήρεις για αναφορά. Αυτή η κυματομορφή είναι «ιδεατή», εννοώντας πως είναι το αποτέλεσμα που θα περίμενε κανείς από ένα κύκλωμα που λειτουργεί ακριβώς σύμφωνα με τη θεωρία. Πλέον, οι περισσότεροι leading edge dimmers έρχονται αρκετά κοντά στο ιδεατό. Αυτό το είδος dimming ωστόσο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μόνο με ωμικά ή επαγωγικά φορτία. Τα χωρητικά φορτία δεν πρέπει να φορτίζονται σε τόσο γρήγορο ρυθμό, σε ακμή δηλαδή τάσης, γιατί αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τεράστια ρεύματα που φορτίζουν τους πυκνωτές. Υπερυψώσεις ρεύματος μπορούν να παρατηρηθούν ακόμη και σε κανονικούς ωμικούς λαμπτήρες πυρακτώσεως, όπως φαίνεται στο Σχήμα

19 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-5: Leading edge dimming σε ωμικό φορτίο σε έναν παλμογράφο Τέτοιες υπερυψώσεις ρεύματος έχουν πολλαπλάσιο μέγεθος σε χωρητικά φορτία και μπορούν να καταστρέψουν το φορτίο ή και τον dimmer TR AI LING E DGE DI MMI NG 0 Αυτή η μέθοδος dimming είναι παρόμοια με τη leading edge dimming, με τη διαφορά να βρίσκεται στο ότι η ακμή αποκοπής βρίσκεται προς το τέλος της ημιπεριόδου του ημιτόνου, κρατώντας κομμάτι από την αρχή της ως αυτό το σημείο, όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-6. Ένας dimmer trailing edge, γνωστός και ως «αντίστροφης Σχήμα 1-6: Ιδεατό trailing edge dimming φάσης», είναι αρκετά πιο περίπλοκο κύκλωμα. Το απλό κύκλωμα που χρησιμοποιείται συνήθως σε τύπου leading edge δεν μπορεί να βρει εφαρμογή εδώ, καθώς οι περισσότεροι TRIACs δεν μπορούν να απενεργοποιηθούν. TRIACs αποκοπής πύλης (GTO) υπάρχουν, αλλά είναι πολύ πιο ακριβοί και λιγότερο συνηθισμένοι στα μικρά μεγέθη που απαιτούνται για φωτισμό. Για να μπορεί να υλοποιηθεί ένας trailing edge dimmer, η συσκευή-διακόπτης πρέπει να ανοίγει καθώς η εναλλασσόμενη κυματομορφή διέρχεται από το μηδέν, χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα γνωστό ως ανιχνευτής zero-crossing. Μετά από προκαθορισμένο χρόνο από τον έλεγχο, η συσκευή-διακόπτης απενεργοποιείται, και το εναπομένον κομμάτι της κυματομορφής δεν εφαρμόζεται στο φορτίο. Οι trailing edge dimmers συνήθως χρησιμοποιούν MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor), καθώς αυτά δεν απαιτούν σχεδόν καθόλου ρεύμα ελέγχου και είναι γρήγορα και αξιόπιστα. Είναι επίσης σχετικά φθηνά και άμεσα διαθέσιμα σε ονομαστικές τάσεις κατάλληλες για λειτουργία στο δίκτυο οικιακών εγκαταστάσεων. Το πρόβλημα έγκειται κυρίως στο EMF που παράγεται όταν ο διακόπτης ανοίγει 100 ή 120 φορές το δευτερόλεπτο. Τις περισσότερες των περιπτώσεων, η ενέργεια από το EMF καταναλώνεται χωρίς κίνδυνο από το φορτίο, αλλά εάν το φορτίο αστοχήσει, αυτή η ενέργεια παραμένει «παγιδευμένη». Το πιο πιθανό 19

20 Εισαγωγικές Έννοιες αποτέλεσμα είναι πως ο dimmer θα υποστεί ζημιά, καθώς οι περισσότερες εμπορικές συσκευές δεν έχουν την ικανότητα να χειριστούν με ασφαλή τρόπο αυτήν την ενέργεια που επιστρέφει από το EMF χωρίς σφοδρή υπερθέρμανση και αστοχία. Το φαινόμενο του EMF υπάρχει σε κάθε επαγωγικό φορτίο, επειδή τα πηνία είναι στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας. Η ενέργεια αποθηκεύεται σαν μαγνητικό φορτίο και όταν το ρεύμα διακόπτεται το μαγνητικό φορτίο καταρρέει, παράγοντας ένα ρεύμα κατά αυτή τη διαδικασία. Εάν δεν υπάρχει φορτίο (όπως μια λάμπα) συνδεδεμένο στο επαγωγικό στοιχείο, ακόμη και ένα μικρό ρεύμα αντιστοιχεί σε πολύ μεγάλη τάση. Αυτό το φαινόμενο παρατηρείται συχνά, αλλά συχνά καταναλώνεται σαν ένα μικρό τόξο κατά μήκος των επαφών του διακόπτη. Αυτά τα τόξα είναι ακίνδυνα εάν συμβαίνουν μερικές φορές την ημέρα, αλλά εάν επαναλαμβάνονται 100 ή 120 φορές το δευτερόλεπτο η μέση ισχύς γίνεται υπολογίσιμη PWM DI MMING Η διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM) ή διαμόρφωση διάρκειας παλμού (PDM), είναι μια τεχνική διαμόρφωσης που προσαρμόζει το πλάτος του παλμού, τυπικά τη διάρκεια του, βασιζόμενη στην πληροφορία του σήματος διαμόρφωσης [5]. Παρόλο που αυτή η τεχνική μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κωδικοποίηση πληροφορίας για εκπομπή, η κύρια χρήση της επιτρέπει τον έλεγχο της ισχύος που παρέχεται σε ηλεκτρικές συσκευές, ιδιαίτερα σε φορτία όπως κινητήρες. Σχήμα 1-7: Κύκλοι λειτουργίας σε PWM dimming 20

21 Εισαγωγικές Έννοιες Η μέση τιμή της τάσης (και του ρεύματος) που παρέχεται στο φορτίο ελέγχεται ανοιγοκλείνοντας τον διακόπτη μεταξύ της τροφοδοσίας και του φορτίου με γρήγορο ρυθμό. Όσο περισσότερο είναι ανοικτός ο διακόπτης σε σύγκριση με την περίοδο που είναι κλειστός, τόσο μεγαλύτερη η ισχύς που παρέχεται στο φορτίο. Η συχνότητα εναλλαγής σε ένα PWM τροφοδοτικό πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή που θα επηρέαζε το φορτίο, που είναι ουσιαστικά η συσκευή που χρησιμοποιεί την ισχύ. Τυπικά αυτές οι εναλλαγές πρέπει να γίνονται αρκετές φορές το λεπτό σε μια ηλεκτρική κουζίνα, 120Hz σε έναν dimmer λαμπτήρων, από μερικά khz ως δεκάδες khz σε έναν οδηγό κινητήρα και αρκετές δεκάδες ή και εκατοντάδες khz σε ενισχυτές ήχου ή τροφοδοτικά υπολογιστών. Ο όρος κύκλος λειτουργίας (duty cycle) περιγράφει το ποσοστό του χρόνου «on» ως προς την περίοδο. Ένα χαμηλό duty cycle αντιστοιχεί σε χαμηλή ισχύ, επειδή η ισχύς είναι μηδενική για τον περισσότερο χρόνο. Το duty cycle εκφράζεται σε ποσοστό, με το 100% να είναι πλήρως on. Το κύριο πλεονέκτημα του PWM είναι πως η απώλεια ισχύος στις συσκευέςδιακόπτες είναι πολύ χαμηλή. Όταν ένας διακόπτης είναι σε αποκοπή υπάρχει πρακτικά μηδενικό ρεύμα, και όταν είναι ανοικτός, δεν υπάρχει σχεδόν καθόλου πτώση τάσης πάνω στον διακόπτη. Η απώλεια ισχύος, ως το γινόμενο της τάσης και ρεύματος, είναι συνεπώς και στις δυο περιπτώσεις κοντά στο μηδέν. Το PWM λειτουργεί καλά και σε συνδυασμό με ψηφιακό έλεγχο, ο οποίος λόγω της on/off φύσης του, μπορεί εύκολα να θέσει τον απαιτούμενο κύκλο λειτουργίας. Από τις παραπάνω περιπτώσεις, για την εργασία θα ασχοληθούμε μόνο με τις μεθόδους leading και trailing edge dimming NON- DI MMABLE ΛΑΜΠΤΗΡ ΕΣ Πρέπει επίσης να σημειωθεί, πως υπάρχουν λαμπτήρες των οποίων η φωτεινότητα δεν μπορεί να ρυθμιστεί καθόλου. Η πιο κοινή αιτία για αυτό το γεγονός είναι τα ηλεκτρονικά στην είσοδο του λαμπτήρα. Συχνά τέτοια ηλεκτρονικά, όπως SMPS, προορίζονται να έχουν σαν λειτουργικότητα την παροχή στη λάμπα της ίδιας τάσης, συχνά DC, ανεξαρτήτως της τάσης εισόδου. Αυτά τα ηλεκτρονικά είναι ωστόσο λειτουργικά μόνο όσο η τάση εισόδου είναι πάνω από κάποιο ορισμένο κατώφλι, συνήθως απαιτούμενο για να φορτισθεί κάποιος πυκνωτής ή να προκληθεί ανάφλεξη στη λάμπα. Σαν αποτέλεσμα, η μεταβολή στην τάση εισόδου προορίζεται στο να προκαλεί μόνο άνοιγμα ή κλείσιμο της λάμπας. Σαν συμπέρασμα των παραπάνω, υπάρχει ανάγκη για μια καθολική συσκευή dimming (universal dimmer) που θα αναγνωρίζει εάν το φορτίο είναι χωρητικό και κατάλληλο για trailing edge dimming ή επαγωγικό και κατάλληλο για leading edge dimming, καθώς οι χρήστες θέλουν να έχουν συμπεριφορά plug-and-play στα προϊόντα, χωρίς να πρέπει να ελέγχουν τη συμβατότητα κάθε φορά που πρέπει να αλλαχθεί μια λάμπα. Επιπροσθέτως, ο χαρακτηρισμός του φορτίου σαν dimmable ή μη θα ήταν επίσης πολύ χρήσιμη πληροφορία που μπορεί να αποτρέψει περιττό στρες σε κάποιες λάμπες. Σε αυτές τις κατευθύνσεις έχουν ήδη γίνει κάποιες έρευνες, κομμάτι των οποίων παρουσιάζεται στη συνέχεια. 21

22 Εισαγωγικές Έννοιες 1.4. ΥΠΑΡΧΟΥΣΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙ Α Έρευνα στις υπάρχοντα άρθρα και αρχειοθετημένες πατέντες κάτω από τις λέξεις-κλειδιά load detection, load recognition και universal dimmer, οδηγούν κυρίως σε αναγνώριση φορτίων για ενεργειακούς λόγους σε βάθος ωρών ή hardware λύσεις, προορισμένες να ενσωματωθούν σε universal dimmer κυκλώματα σαν ανιχνευτές φορτίου. Γενικά η ιδέα της αναγνώρισης φορτίου, έχει βρει περισσότερο εφαρμογή στην παρακολούθηση φορτίων για ώρες ή μέρες, ώστε να κατηγοριοποιηθούν σαν συσκευές και να μελετηθεί η ενεργειακή τους επίδραση σε μια οικιακή εγκατάσταση. Μελετώνται χαρακτηριστικά των ενεργειακών τους καμπυλών όπως η μέση κατανάλωση, ο αριθμός ακμών της καμπύλης, η ποσοστιαία κατανάλωση ισχύος, ο διακριτός μετασχηματισμός Fourier της καμπύλης και το μεταβατικό φαινόμενο στην αρχή αυτής, ώστε να διαμορφωθεί μια «υπογραφή» του φορτίου με NILM αλγορίθμους [6], [7], [8]. Η ιδανική περίπτωση για τη μετέπειτα χρήση αυτής της υπογραφής για κατηγοριοποίηση του φορτίου φαίνεται να είναι η αναγνώριση προτύπων, με χρήση κάποιου αλγορίθμου όπως αυτούς της κατηγορίας νευρωνικού δικτύου και ένα αντιπροσωπευτικό σετ εκπαίδευσης. Ωστόσο πρέπει να σημειωθεί πως οι περισσότερες προσπάθειες αφορούν κατάταξη των οικιακών συσκευών σε γενικές κατηγορίες [9] και δεν εξετάζουν ιδιαίτερα το ενδεχόμενο κατηγοριοποίησης λαμπτήρων. Υπάρχουν έρευνες που επικεντρώνονται στην αναγνώριση οικιακών φορτίων (NIALM), τη μέτρηση ισχύος τους και κατηγοριοποίηση τους σε επαγωγικά, ωμικά ή χωρητικά, συνεχή ή περιοδικά, αναλύοντας ανάμεσα σε άλλα και την κυματομορφή ρεύματος που καταναλώνεται [10]. Άλλες από αυτές τις ιδέες επικεντρώνονται στο να αναγνωρίζουν το τύπο του φορτίου βασισμένο στη συμπεριφορά του. Για παράδειγμα, μια πρόωρη αποκοπή φάσης στη βαθμίδα εξόδου ενός dimmer θα προκαλέσει δυνητικά επαγωγικά φορτία να παράγουν ταλάντωση τάσης. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να ανιχνευτεί από ορισμένη διάταξη υλικού και συνεπώς να αναγνωριστεί πως υπάρχει επαγωγικό φορτίο συνδεδεμένο και πρέπει να γίνει χειρισμός αυτού με τρόπο leading edge [11], [12]. Άλλες πατέντες [13] υιοθετούν διαφορετική προσέγγιση και κατηγοριοποιούν το φορτίο σαν χωρητικό ή επαγωγικό επιχειρώντας να προσδιορίσουν τον συντελεστή ισχύος cosφ. Αυτό το πετυχαίνουν ανοιγοκλείνοντας το φορτίο αρκετές φορές και ανιχνεύοντας τη διαφορά φάσης μεταξύ του ρεύματος και τάσης. Το πρόσημο αυτής της διαφοράς κατηγοριοποιεί το φορτίο σαν «επαγωγικό» ή «χωρητικό / ωμικό». Υπήρξαν όμως και πολύ πιο εξελιγμένες πατέντες, όπως η [14], που εξετάζει το πρόβλημα σε ένα υψηλότερο αφαιρετικό επίπεδο και περιγράφει αναγνώριση ηλεκτρικών οικιακών συσκευών και των καταστάσεων αυτών, πάλι βασιζόμενη στην «υπογραφή» τους όπως αυτή φαίνεται από την τροφοδοσία. Η ιδέα πίσω από αυτό είναι η ύπαρξη συσκευών παρακολούθησης ισχύος πίσω από κάθε φορτίο σε ένα σπίτι, παρέχοντας πληροφορίες για την τάση, ρεύμα, θερμοκρασία, ενεργό και άεργο ισχύ, συντελεστή φόρτισης, ρεύμα εισροής, αρμονικές ρεύματος ή και ακόμη και υγρασία, ώστε να δημιουργηθεί μια πλήρης υπογραφή του φορτίου. Αυτές οι «υπογραφές» προορίζονται για αποθήκευση σε τοπικές ιδιωτικές βάσης δεδομένων ή για ανταλλαγή μέσω του Internet για να καλυφτούν όλες οι πιθανές συσκευές σε όλες τις πιθανές τους καταστάσεις (αδράνεια, αναμονή, ενεργή, κτλ). Αυτά τα συστήματα στοχεύουν στο να πληροφορήσουν τον χρήστη σχετικά με την κατανάλωση των κάθε μεμονωμένων συσκευών και το κόστος και ο αντίκτυπος που έχουν σε αυτόν διάφορες ενέργειες (ένα 22

23 Εισαγωγικές Έννοιες μπάνιο, το να ξεχάσει το παράθυρο ανοιχτό ενώ η θέρμανση δουλεύει) ή να τον προστατέψουν (συναγερμοί πυρός, διαρρήξεις). Σαν αποτέλεσμα, έχει την επιλογή να πάρει διαφορετικές αποφάσεις και να ελέγξει το αποτέλεσμα. Εξετάζοντας το πως δουλεύει (reverse-engineering) ένας τυπικός universal dimmer, παρατηρούμε πως αρχικά επιχειρείται σταδιακή αύξηση του πλάτους του ημιτόνου της τάσης (dimming πλάτους ημιτόνου), ώστε να αναγνωριστεί η αντίδραση του φορτίου σε αυτήν. Σε κάθε εικόνα παλμογράφου στο έγγραφο: Η κόκκινη/ροζ κυματομορφή αντιπροσωπεύει την τάση εξόδου, Η μπλε/μωβ κυματομορφή αντιπροσωπεύει το ρεύμα στο φορτίο, και όταν η μέτρηση γίνεται στην έξοδο του dsc20 πάντα είναι η πτώση τάσης πάνω σε αντίσταση shunt 0.1Ω. Οι πράσινες ή κίτρινες κυματομορφές αντιπροσωπεύουν την πύλη των MOSFETs του dsc20. Σχήμα 1-8: Start-up ενός universal dimmer 23

24 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-9: Απόπειρα leading edge από universal dimmer Με μια τέτοια προσέγγιση, τα ωμικά φορτία αντιδρούνε άμεσα με ανάλογο ρεύμα, τα αμιγώς χωρητικά ή επαγωγικά αντιδρούνε με ρεύμα το οποίο καθυστερεί ή προηγείται της τάσης, ενώ τα διακοπτικά τροφοδοτικά μπορεί να μην ενεργοποιηθούν μέχρι να φθάσει η διέγερση σε ένα ορισμένο κατώφλι. Μεγάλα ρεύματα εισροής χαρακτηρίζουν τη χωρητική φύση. Αλλάζοντας έπειτα σε leading edge dimming, η ύπαρξη ή όχι καρφιών ρεύματος υποδεικνύει εάν το φορτίο μπορεί να λειτουργήσει με αυτόν τον τρόπο ή εάν πρέπει να αντιμετωπιστεί με trailing edge μέθοδο. 24

25 Εισαγωγικές Έννοιες 1.5. DIGITALSTROM & ΤΟ ΤΣΙΠ DSC ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΤΟ DIGI TALSTROM Γενικά Το DigitalSTROM είναι μια έννοια που βρίσκει εφαρμογή στην αγορά Επικοινωνιών Γραμμής Ρεύματος (Power Line Communication). Στα συστήματα PLC, προσαρμοσμένα σήματα μεταδίδονται διαμέσου του ηλεκτρικού δικτύου, με το να εισάγονται και να συλλέγονται από διαφορετικούς κόμβους συνδεδεμένους στο ίδιο δίκτυο. Η τεχνολογία DigitalSTROM στοχεύει στη χρήση τέτοιων σημάτων για να χειριστεί ηλεκτρικές συσκευές, χρησιμοποιώντας το οικιακό ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο οι συσκευές είναι ήδη συνδεδεμένες, για λόγους παροχής ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, η ίδια φυσική υποδομή χρησιμοποιείται τόσο για μετάδοση ισχύος όσο και για μετάδοση δεδομένων. Ένα DigitalSTROM σύστημα βασίζεται στους συγκεντρωτές που στον πίνακα διανομής, δρουν σαν μετρητές ισχύος για ανεξάρτητα κυκλώματα διανομής και επικοινωνούν με τους μεμονωμένους κόμβους που είναι εγκατεστημένοι σε ένα σπίτι μέσω διαφορετικά διαμορφωμένων καναλιών επικοινωνίας upstream και downstream. Το σύστημα στοχεύει στο να παρέχει λειτουργίες ελέγχου πάνω στις διασυνδεδεμένες συσκευές, με αυτόν τον τρόπο δημιουργώντας ένα σύστημα αυτοματισμού έξυπνου σπιτιού. Συγκεκριμένα, στοχεύει στο μέγιστο δυνατό έλεγχο πάνω στις ηλεκτρικές συσκευές, ενώ την ίδια στιγμή παρέχει επιπλέον επίγνωση της πραγματικής κατανάλωσης ισχύος αυτών, αντί για την απλή μέτρηση ισχύος για τη συνολική εγκατάσταση του σπιτιού, όπως γίνεται συνήθως σήμερα από τους σημερινούς έξυπνους μετρητές. Συνεπώς, ο σκοπός ενός συστήματος DigitalSTROM είναι να βελτιώσει την επίγνωση της κατανάλωσης και αποδοτικότητας μιας εγκατάστασης, όπως επίσης και να προσφέρει λειτουργικότητα που θα βελτιώσει την ποιότητα ζωής των ανθρώπων που σχετίζονται με την εγκατάσταση αυτή. Το target group αυτής της ιδέας είναι οι οικιακές εγκαταστάσεις. Το σχήμα επικοινωνίας που περιγράφηκε είναι και η αυτή καθαυτή καινοτομία της έννοιας DigitalSTROM, αφού δεν χρησιμοποιεί ασύρματες τεχνολογίες που αυξάνουν την περιπλοκότητα και μειώνουν τον αριθμό των συσκευών που μπορούν να συνδεθούν, ούτε απαιτεί νέες προσαρμοσμένες καλωδιώσεις στο σπίτι. Τα PLC σήματα ρυθμίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να μην διαφεύγουν και ενοχλούν το εξωτερικό περιβάλλον του συστήματος. Το επίπεδο ελέγχου στις συσκευές που μπορούν να χειρισθούν από το σύστημα ποικίλλει ανάλογα με το είδος της χρήσης για την οποία προορίζεται η κάθε συσκευή. Αυτή η κατηγοριοποίηση χαρακτηρίζεται με τον κωδικό χρώματος όπως παρουσιάζεται στο Σχήμα Για τους σκοπούς αυτής της εργασίας, ενδιαφερόμαστε σε εφαρμογές φωτισμού, που μας οδηγούν στις κίτρινες συσκευές DigitalSTROM [15]. Σχήμα 1-10: Χρωματικός κώδικας DigitalStrom 25

26 Εισαγωγικές Έννοιες Τοπολογία Σε αντίθεση με συνηθισμένα οικιακά συστήματα PLC, το DigitalSTROM δεν παρέχει άμεση peer-to-peer επικοινωνία διαμέσου της οικιακής καλωδίωσης αλλά χρησιμοποιεί μια κεντροποιημένη προσέγγιση όπου όλη η επικοινωνία αναμεταδίδεται από οντότητες που βρίσκονται εγκατεστημένες στον πίνακα διανομής [16]. Σε κάθε υποκύκλωμα digitalstrom, μια τέτοια οντότητα, αποκαλούμενη digitalstrom Meter (dsm), είναι εγκατεστημένη πίσω από τον διακόπτη κυκλώματος και έχει τη διπλή λειτουργικότητα της αναμετάδοσης επικοινωνίας και μέτρησης ισχύος του υποκυκλώματος. Μία τέτοια τοπολογία φαίνεται στο Σχήμα Σε κάθε dsm μπορούν να συνδεθούν μέχρι 128 τερματικοί κόμβοι, digitalstrom συσκευές (dsd). Μέχρι 63 dsms είναι διασυνδεδεμένοι σε έναν δίαυλο RS-485. Ο RS-485 δίαυλος συνδέεται στη συνέχεια με έναν τοπικό διακομιστή (dss) μέσω ενός public API. Ο διακομιστής λειτουργεί σαν αναμεταδότης προς ένα τοπικό οικιακό δίκτυο ή το Internet, υλοποιεί μια διεπαφή ρυθμίσεων και επιτρέπει την υλοποίηση προσαρμοσμένων λειτουργιών που απαιτεί ο τελικός χρήστης ή ο πάροχος ενέργειας. Οι dsds τυπικά επιτελούν λειτουργικότητα μετρητή σε επίπεδο συσκευής, είναι δυνατόν να ανοίξουν ή να κάνουν dimming στη συνδεδεμένη συσκευή-φορτίο τους και μεταβιβάζουν πληροφορίες κατάστασης ή γεγονότα (πχ. «ένα κουμπί πατήθηκε») στο dsm, που βρίσκεται στην κατεύθυνση της upstream επικοινωνίας. Σχήμα 1-11: Τοπολογία DigitalStrom 26

27 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-12: Παράδειγμα εγκατάστασης DigitalSTROM Ένα πιο συγκεκριμένο παράδειγμα μπορεί να φανεί στο Σχήμα 1-12, όπου παρουσιάζεται και εξηγείται ένα πρακτικό παράδειγμα όλων των οντοτήτων που θα συνυπήρχαν για την εγκατάσταση digitalstrom σε ένα δωμάτιο. Με μία τόσο απλή εγκατάσταση, τα πιθανά σενάρια χρήσης είναι ήδη αμέτρητα. Κάποια από αυτά θα μπορούσαν για παράδειγμα να είναι: Να ανάψει κάποιος τη λάμπα 9 πατώντας το κουμπί 7 Να οριστεί μια σκηνή αποθηκευμένη στον dsm (3), όπου ένα διπλό πάτημα του κουμπιού 10 θα κατέβαζε τα σκίαστρα (11) και θα άναβε όλες τις λάμπες σε φωτεινότητα 30%. Να κατεβάσει κάποιος τα σκίαστρα (11) με τη χρήση ενός smartphone (5) αφού βγει από το σπίτι, σε περίπτωση που τα ξέχασε ανοικτά κατά λάθος. Να οριστεί με το smartphone (5) μια σκηνή στον dsm (3) κατά την οποία τα σκίαστρα θα άνοιγαν αυτόματα κάθε Δευτέρα με Παρασκευή στις 7 π.μ. σαν ξυπνητήρι. 27

28 Εισαγωγικές Έννοιες Στο Σχήμα 1-13 βρίσκεται κομμάτι των διαθέσιμων συσκευών digitalstrom με φωτογραφίες και τα αναγνωριστικά τους ονόματα. Κάποιες από αυτές έχουν τον χρωματικό κωδικό τους ενσωματωμένο στην ονομασία (GE:κίτρινο, GN:πράσινο, GR:γκρι, RT:κόκκινο, SW:μαύρο, από τις αντίστοιχες μεταφράσεις τους στα γερμανικά). Σχήμα 1-13: Κάποιες βασικές συσκευές digitalstrom Επικοινωνία Η επικοινωνία σε ένα σύστημα digitalstrom θα πρέπει να περιγραφεί ξεχωριστά για τα κανάλια upstream και downstream. Σαν επικοινωνία downstream (Σχήμα 1-14), ορίζουμε τα PLC σήματα που μεταδίδονται από τους dsm στις dsds. Αυτά τα σήματα είναι αρνητικοί παλμοί που εισάγονται σε δύο συγκεκριμένα χρονικά παράθυρα μόνο μιας ημιπεριόδου της τάσης δικτύου, κοντά στα σημεία όπου αυτή διέρχεται από το μηδέν. Ορίζοντας έναν παλμό σαν ένα bit επικοινωνίας (απουσία ή ύπαρξή του), έχουμε bitrate των 28

29 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-14: DigitalStrom downstream επικοινωνία Σαν επικοινωνία upstream (Σχήμα1-15), ορίζουμε τα κατά συχνότητα διαμορφωμένα σήματα με τα οποία οι dsds επικοινωνούν με τους dsms. Αυτά τα σήματα παράγονται από μια πηγή ρεύματος και ακολουθούν Frequency-Shift Keying (FSK) scheme, κατά το οποίο τα δυικά σύμβολα 0 και 1 αναπαρίστανται με διαφορετικές συχνότητες (15.625kHz και kHz). Σχήμα1-15: DigitalStrom upstream επικοινωνία Σχήμα 1-16: Dsc11 upstream, η κυματομορφή του ρεύματος 29

30 Εισαγωγικές Έννοιες Η Λ ΕΙΤΟ ΥΡ ΓΙΚΟΤΗΤ Α Τ ΟΥ DSC20 Ο dsc20 είναι το τσιπ επόμενης γενιάς, που διαδέχεται τον dsc11 σαν πυρήνας στις dsds. Αυτά τα τσιπ είναι υπεύθυνα για την επικοινωνία με τους dsms όπως περιγράφηκε και χειρίζονται τις ηλεκτρικές συσκευές διαφόρων κατηγοριών που συνδέονται με αυτά. Κάθε dsc είναι γενικά υπεύθυνος για μόνο μία συσκευή. Τα χαρακτηριστικά του dsc11 και τα επιπλέον χαρακτηριστικά του dsc20 όπως επίσης και το block diagram του dsc20 (Σχήμα 1-17) παραθέτονται παρακάτω, αλλά μόνο τα τμήματα που μας ενδιαφέρουν θα αναλυθούν στη συνέχεια με περισσότερες λεπτομέρειες [17]: DSC11 Απευθείας σύνδεση στα 230V Οδηγός για διαφορετικές λειτουργίες στη βαθμίδα εξόδου o Έλεγχος forward phase angle o Έλεγχος inverse phase angle o Dimmer απαλλαγμένος από τρεμόπαιγμα φωτεινότητας o PWM (μισής ή πλήρους γέφυρας) o Μόνιμο κλείδωμα σε κατάσταση on or off Ανιχνευτής Zero crossing Έλεγχος βαθμίδας εξόδου μέσω τοπικού κουμπιού Ενδεικτικά LED κατάστασης Τροφοδοσία για τον dsc11 -μp ή άλλες συσκευές Ανίχνευση παλμών ως ds-signals από την παροχή δικτύου Αποστολή στο κανάλι επιστροφής UDI (Universal device interface) Σύστημα προστασίας από υπερρεύματα Διεπαφή μp Ενσωμάτωση μεγάλου βαθμού, μικρό κόστος, ελάχιστος αριθμός εξωτερικών στοιχείων απαραίτητος Standby κατανάλωση στα 0.25 W DSC20 Πρόκειται για υψηλής ενσωμάτωσης System-on-Silicon (SoC), σχεδιασμένο γύρω από έναν πυρήνα μικροελεγκτή 16bit. Ο μικροελεγκτής είναι ο H430, διατηρεί συμβατότητα με MSP430, είναι κατασκευασμένος σε Harvard, RISC αρχιτεκτονική (27 εντολές και 7 modes διευθυνσιοδότησης), που λειτουργεί με εσωτερικές πτητικές και μηπτητικές μνήμες. Ο dsc20 είναι κατασκευασμένος σε διαδικασία 40V τεχνολογίας 180nm CMOS και ενσωματώνει μεγάλη πυκνότητα λογικής, συνδυασμένη με ισχυρές δυνατότητες στο αναλογικό κομμάτι. Standby κατανάλωση μικρότερη από 100 mw Βελτιωμένη FSK εκπομπή δεδομένων upstream από 10 ως 100 khz Ενσωματωμένος ελεγκτής τάσης και ρεύματος SMPS με έλεγχο PID και παρακολούθηση υπερρευμάτων 5 μέθοδοι dimming: φάσης, PWM, fractional PWM, EXT ελεγκτή και GPIO 30

31 Εισαγωγικές Έννοιες Αυτόματη αναγνώριση φορτίου: ανίχνευση αλλαγής φορτίου, ανίχνευση υπερφόρτωσης και κατηγοριοποίηση φορτίου Αυτόματη εκτίμηση καμπυλών dimming διόρθωση εύρους και γραμμικότητας Ανίχνευση Flickering Μέτρηση ισχύος φορτίου (±2% ακρίβεια) και άλλων μετρικών φορτίου Ανίχνευση ripple control Low-/high-side ελεγκτής με έλεγχο slew rate, προστασία υπέρτασης και βραχυκυκλώματος Push button καύση οξειδίων επαφής, δυνατότητα για 9-πλο κουμπί με χρήση GPIOs Διεπαφές SPI, UART, I2C για έλεγχο εξωτερικών εφαρμογών Προγραμματιζόμενα κατώφλια υπέρτασης και υπερρεύματος Όλη η επεξεργασία σημάτων και ο έλεγχος γίνεται από το ψηφιακό κομμάτι Με αυτόν τον τρόπο, ο dsc20 συνδυάζει τη λειτουργικότητα ενός PLC Modem, μιας CPU και όλων των παραπάνω λειτουργιών στα 230V σε ένα μόνο κομμάτι πυριτίου, χρειαζούμενος ελάχιστα εξωτερικά στοιχεία για να λειτουργήσει. Σχήμα 1-17: Το block diagram του dsc20 31

32 Εισαγωγικές Έννοιες Στον dsc20, πολλοί υπολογισμοί που στον dsc11 γίνονταν με το λογισμικό καλύφθηκαν από τμήματα hardware. Τα τρία τονισμένα χαρακτηριστικά παραπάνω είναι αυτά που απορρέουν από την παρούσα διπλωματική. Πριν ορίσουμε τις ακριβείς απαιτήσεις του αλγορίθμου, θα δούμε επιγραμματικά τα δύο αυτά modules που βασικά καλύπτουν το μεγαλύτερο τμήμα των δυνατοτήτων του dsc20 στο να παρέχει αυτά τα τρία χαρακτηριστικά ΟΙ ΔΥ ΝΑΤΟΤΗΤ ΕΣ ΤΟΥ DSC20 ΣΤ ΗΝ ΑΝ ΑΓΝΩ ΡΙΣΗ ΦΟΡΤΙΟΥ: Η ΜΟΝΑΔ Α UIADC Η μονάδα UIADC περιέχει δύο μετατροπείς αναλογικού προς ψηφιακό, οι οποίοι δειγματοληπτούν την τάση εισόδου και το ρεύμα που ρέει προς το φορτίο (πάνω από αντίσταση shunt), σε 16μπιτους καταχωρητές. Για το ρεύμα, ο IADC είναι μετατροπέας σε 16bit για εύρος [ ]V που θα πρέπει να μετριέται μέσω shunt αντιστάτη. Για την τάση, ο UADC είναι μετατροπέας σε 16bit από εύρος [0...2]V. Και οι δύο μετατροπείς υποβάλλονται σε διαδικασία calibration κατά την παραγωγή. Πέρα από τις μετρήσεις τάσης και ρεύματος στην ακατέργαστή τους μορφή, οι οποίες μπορούν να προσπελασθούν μέσω buffers, κρατούνται και εξυπνότερα στατιστικά, που παράγονται επίσης από κομμάτια hardware. Σαν αποτέλεσμα, οι παρακάτω καταχωρητές είναι διαθέσιμοι: IT / FIT: Ακριβείς/Ταχείς* τιμές ρεύματος UT / FUT: Ακριβείς/Ταχείς τιμές τάσης Iu2t / Ii2t: Το τρέχον ολοκλήρωμα της τάσης/ρεύματος, κάθε στιγμή Iu2t_last / Ii2t_last: Το τελευταίο (μέγιστο) ολοκλήρωμα τους πριν μηδενιστεί Lpt / last_lpt : Τα αντίστοιχα ολοκληρώματα των ως Sum_last_lpt : Το άθροισμα των τελευταίων x lpts Min/max ut/it (_bp): Οι ελάχιστες και μέγιστες τιμές των ut/it, εντός μιας περιόδου και η φάση τη χρονική στιγμή που καταγράφηκαν Rise/Fall _it_bp: Η φάση όταν το ρεύμα πέρασε ένα ορισμένο κατώφλι με συγκεκριμένη κατεύθυνση (απολύτως αύξουσα ή φθίνουσα) Ii2t_threshold / Ii2t_intf_threshold: Κατώφλια που μπορούν να ορισθούν ώστε να ανιχνευτεί το πέρασμά τους από το ολοκλήρωμα του ρεύματος ή το ολοκλήρωμα του ρεύματος φιλτραρισμένο με επιπλέον ολοκληρωτικό φίλτρο Min/Max _ut/it_ (intf)_threshold: Παρόμοια κατώφλια για την ελάχιστη και μέγιστη τάση και ρεύμα και την έξοδο των ολοκληρωτικών τους φίλτρων *Ο όρος «ταχείς» χρησιμοποιείται για να περιγράψει δείγματα τα οποία λαμβάνονται με λιγότερα bit ακρίβειας, σε ταχύτερο ρυθμό δειγματοληψίας. Κανονικά, αυτά τα δείγματα λαμβάνονται στην έξοδο ενός ολοκληρωτικού φίλτρου ρυθμιζόμενης τάξης, που οδηγεί σε ακύρωση θορύβου, αλλά προσφέρει λιγότερα δείγματα ανά περίοδο. Τα «ταχέα» στατιστικά προέρχονται από χαμηλότερη τάξη ολοκλήρωσης. Στατιστικά όπως τα lu2t, li2t προέρχονται από ένα άλλο σετ ολοκληρωτικών φίλτρων, που έχουν σαν είσοδο την έξοδο των πρώτων σετ. Η συχνότητα δειγματοληψίας που θα χρησιμοποιείται σε όλο το έγγραφο για τις κανονικές τιμές είναι περίπου 19,5kHz σε κάθε μέτρηση ή τεστ που γίνεται με τον dsc20. 32

33 en / pd_n td_u(t) / u(t) td_*²(t) / *²(t) en / pd_n td_i(t) / i(t) u(t)&u(t) i(t)&i(t) u(t)&i(t) conf: en / order / DR clr_i / clr_dez Εισαγωγικές Έννοιες IRQ IRQ *(t) min_*(t) max_*(t) zc*_i(t) irq_min_u(t) irq_max_u(t) irq_*(t) Statistic- Module td_u(t) / u(t) td_fu(t) / fu(t) td_i(t) / i(t) td_fi(t) / fi(t) irq_u(t) Sinc-Filter irq_i(t) conf Iu²(t) Last Iu²(t) Integral (u²(t)) Sinc-Filter uadc_ctrl uadc_npd uadc_off_cal_en uadc_cmp_o uadc Bus* *(t) Bus Ii²(t) Last Ii²(t) p(t) Last p(t) Sum p(t) irq_sum_last (p(t)) irq_sum_last (p(t)) Integral (i²(t)) Intergral (p(t)) Sum p(t) Multiplier td_fu(t) / fu(t) td_fi(t) / fi(t) irq_fu(t) Fast Sinc-Filter irq_fi(t) conf conf Fast Sinc-Filter iadc_ctrl iadc_npd iadc_off_cal_en iadc_cmp_o cs_clamp_npd cs_npd cs_off_en iadc CS Input Amplifier Σχήμα 1-18: Το μπλοκ διάγραμμα της μονάδας UIADC ΟΙ ΔΥ ΝΑΤΟΤΗΤ ΕΣ ΤΟ Υ DSC20 ΣΤΟ DI MMING: Η ΜΟ ΝΑΔΑ PWM_PHASE Η μονάδα Pulse Width Modulation είναι η υπεύθυνη για την οδήγηση της βαθμίδας εξόδου στην αγωγιμότητα ή την αποκοπή. Για αυτόν τον λόγο, αποτελείται από δύο ζεύγη οδηγών, έναν high side και έναν low side όπως φαίνεται στο Σχήμα 1-19, έχοντας τα παρακάτω χαρακτηριστικά: Έλεγχος δύο ζευγών οδηγών (High side και Low side) Έλεγχος φάσης με τη βασική φάση που παρέχεται από το sync module Γεννήτρια PWM Έλεγχος Slew Rate Χειρισμός υπερρευμάτων και υπέρτασης Δυνατότητα για Trailing edge, Leading Edge και Effective Value dimming 33

34 Εισαγωγικές Έννοιες Σχήμα 1-19: Η μονάδα dsc20 PWM 34

35 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Κεφάλαιο 2: Η ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ Η ανάγκη για έναν αλγόριθμο αυτόματης αναγνώρισης φορτίου πηγάζει από το γεγονός ότι τα συστήματα digitalstrom στοχεύουν σε λειτουργικότητα plug-and-play, στην οποία ο χρήστης θα χρειάζεται να κάνει τις ελάχιστες δυνατές ρυθμίσεις για να έχει την απαιτούμενη συμπεριφορά από το σύστημα. Σε αυτό το κεφάλαιο ορίζονται οι βασικές απαιτήσεις από τον αλγόριθμο και όποιες παράλληλες απαιτήσεις προκύπτουν. Καθεμία περιγράφεται και γίνονται μετρήσεις με το setup συστήματος που παρουσιάζεται ώστε να βρεθεί μια λύση που να καλύπτει όλες τις απαιτήσεις ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΠΙΘΥΜΗΤΕΣ ΕΞΟΔΟΙ 1. Ανίχνευση πιθανής αλλαγής φορτίου σε κάθε άνοιγμα της βαθμίδας εξόδου Πρέπει να οριστεί τρόπος ώστε την επόμενη φορά που ένας λαμπτήρας πρέπει να ανάψει, ο αλγόριθμος να ανιχνεύει εάν το φορτίο έχει αλλαχθεί ή όχι ώστε να μην εκτελείται η πλήρης έκδοση του αλγορίθμου. 2. Απόφαση του αν το φορτίο είναι ασφαλές να λειτουργήσει σε πλήρη ισχύ Κάλυψη του σεναρίου όπου βρίσκεται συνδεδεμένο ένα φορτίο μεγαλύτερο από το αποδεκτό σε ισχύ ή χωρητικότητα. Επίσης, έλεγχος του ρεύματος εισροής, καθώς κάποια φορτία έχουν τεράστια ρεύματα εκκίνησης που μπορεί να προκαλέσουν φθορές στα τρανζίστορ του συστήματος, ακόμη και αν το φορτίο είναι σε γενικές γραμμές ασφαλές στη σταθερή του κατάσταση. Ο αλγόριθμος θα πρέπει να μπορεί να αναγνωρίσει τέτοιες περιπτώσεις στα πρώτα του στάδια, να διακόπτει την τροφοδοσία και να παρέχει στο σύστημα αυτήν την πληροφορία. 3. Κατηγοριοποίηση σε dimmable ή όχι. Να ελεγχθεί, εάν αυτό κριθεί δυνατό, εάν η φωτεινότητα του φορτίου μπορεί να ρυθμισθεί ή όχι, εννοώντας εάν μπορεί να βρεθεί σε κάποια φωτεινή κατάσταση άλλη της 0% ή 100%. 4. Επιλογή της βέλτιστης μεθόδου dimming: Trailing ή Leading Edge Όλα τα επαγωγικά φορτία πρέπει να αντιμετωπίζονται με leading edge dimming, ενώ όλα τα χωρητικά με trailing edge. Με τον όρο φορτίο, συμπεριλαμβάνεται και ο μετασχηματιστής που πιθανών προηγείται του λαμπτήρα. Έξυπνες συσκευές με ηλεκτρονικά που αποσκοπούν στη μείωση κατανάλωσης ενέργειας σχεδόν πάντα έχουν σημαντική χωρητικότητα και είναι ορθότερη η χρήση trailing edge dimming. Τα ωμικά φορτία μπορούν να λειτουργήσουν με οποιοδήποτε τρόπο, έχοντας ως προεπιλογή την trailing edge. 5. Προσπάθεια εκτίμησης μιας καμπύλης dimming Οι λαμπτήρες τείνουν να έχουν μη γραμμικές μεταβολές φωτεινότητας όταν η γωνία dimming αυξομειώνεται γραμμικά. Αυτές οι μη γραμμικότητες είναι εντονότερες σε λαμπτήρες LED. Να ερευνηθεί εάν υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ της φωτεινότητας της λάμπας και κάποιας υπολογίσιμης μετρικής από το σύστημα ώστε να προταθεί μια εκτίμηση καμπύλης dimming. 6. Ανίχνευση άλλων ds συσκευών εάν αυτές βρίσκονται συνδεδεμένες σαν φορτίο 35

36 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Κάλυψη της περίπτωσης κατά την οποία ο χρήστης έχει συνδέσει κάποιο φορτίο με ήδη ενσωματωμένη ds συσκευή και ενημέρωση του συστήματος για αυτήν την κατάσταση, ώστε να μην εμπλακεί ο dsc20 στη λειτουργία της. 7. Ανίχνευση φορτίων που ακολουθούν το πρωτόκολλο DorS Αυτά τα φορτία είναι λαμπτήρες dimmable με έναν έξυπνο τρόπο, ώστε η φωτεινότητα τους να μπορεί να ρυθμιστεί ανοιγοκλείνοντάς τους γρήγορα συγκεκριμένο αριθμό επαναλήψεων μέχρι να φτάσουν στην επιθυμητή κατάσταση. 8. Ανίχνευση και αποφυγή του φαινομένου flickering Εξέταση του εάν η φωτεινότητα του λαμπτήρα αυξομειώνεται με τυχαίο ή περιοδικό ρυθμό 2.2. ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ 1. Αποφυγή οπτικά ενοχλητικών συμπεριφορών Οι λαμπτήρες δεν επιτρέπεται να εμφανίζουν ορατή διαφοροποιημένη συμπεριφορά κατά το άναμμά τους εάν δεν έχουν αλλαχθεί. Κάλυψη της περίπτωσης κατά την οποία ένας χρήστης έχει ορίσει ο λαμπτήρας να ανάβει σε dimmed κατάσταση φωτεινότητας και δεν πρέπει να συνειδητοποιήσει πως υπήρξε άλλη διέγερση στο φορτίο για να γίνουν μετρήσεις. 2. Αποφυγή καταπόνησης του φορτίου και πιθανότητας φθορών Αποφυγή του dimming με λάθος τρόπο ή άλλων καταστάσεων που θα προκαλούσαν μεγάλα ρεύματα στο φορτίο. Αντιμετώπιση της περίπτωσης των μη-dimmable λαμπτήρων. 3. Βελτιστοποίηση ταχύτητας, αξιοπιστίας και μεγέθους κώδικα Η αξιοπιστία των αποφάσεων είναι σημαντική για την εμπειρία χρήστη. Να ληφθούν υπόψη οι περιορισμοί των υπολογισμών σε 16bit και οι περιορισμοί μνήμης. 4. Αντιμετώπιση λαμπτήρων των οποίων τα ρεύματα είναι υπερβολικά μικρά για να αντιμετωπιστούν με ακρίβεια από τον ADC 5. Κάλυψη της περίπτωσης του ripple control, σημάτων υψηλών συχνοτήτων που μεταδίδονται ορισμένες στιγμές πάνω στην τάση δικτύου 36

37 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου 2.3. ΤΟ SETUP ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ο αλγόριθμος αναπτύχθηκε με τη χρήση ενός δοκιμαστικού setup που περιγράφεται σε αυτό το υποκεφάλαιο. Σχήμα 2-1: Το setup του συστήματος Ο πυρήνας του συστήματος είναι το τσιπ που βρίσκεται τοποθετημένο στη υποδοχή της πλακέτας αξιολόγησης. Αυτό το τσιπ προγραμματίζεται, τρέχει τον αλγόριθμο και να ελέγχει τα MOSFET ισχύος στην πλακέτα εφαρμογών που είναι προσκολλημένη. Αυτό το δοκιμαστικό περιβάλλον εξομοιώνει το τελικό προϊόν, στο οποίο όλα τα στοιχεία θα είναι τοποθετημένα σε ένα μικρό, πλήρως λειτουργικό κουτί, το terminal block του συστήματος DigitalStrom. Ο έλεγχος των FETs έχει σαν αποτέλεσμα την αυξομείωση της τάσης και ρεύματος που ρέουν προς το φορτίο, το οποίο είναι ή περιλαμβάνει λαμπτήρα για την περίπτωσή μας. Αυτές οι αυξομειώσεις μετρώνται στο περιβάλλον μας από έναν παλμογράφο. Ο παλμογράφος, η τροφοδοσία των 5.5V, η επικοινωνία JTAG και η σειριακή επικοινωνία είναι κατάλληλα απομονωμένα από την υψηλή τάση. Οποιαδήποτε χρήσιμα αποτελέσματα ή εικόνες από τον παλμογράφο μπορούν να μεταφερθούν στον υπολογιστή χρησιμοποιώντας μεταφορά δεδομένων με USB. Το FPGA προσφέρει στην περίπτωση μας απλά σειριακή επικοινωνία με το τσιπ, καθώς δεν χρησιμοποιείται κάποια άλλη λειτουργικότητα του. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να εκτελούνται εντολές στο τσιπ κατά βούληση. Τέτοιες εντολές μπορεί να είναι η τροφοδότηση του φορτίου, η επιλογή μεθόδου dimming, η εφαρμογή συγκεκριμένης γωνίας dimming, επιστροφή ενός buffer δειγμάτων τάσης ή ρεύματος, ανάγνωση και εγγραφή ορισμένων καταχωρητών κτλ. Για τους σκοπούς της παρούσας διπλωματικής τροποποιήθηκαν και κάποιες εντολές στον πυρήνα του τσιπ ώστε να παρέχουν επιπρόσθετη πληροφορία (στατιστικά όπως ισχύς, μέγιστο ρεύμα, φάση, κτλ). 37

38 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Αυτά τα στατιστικά μπορούν αργότερα να χρησιμοποιηθούν στο Excel, Matlab ή Python για να αναλυθούν και να γίνει δοκιμή διαφορετικών σεναρίων. Η Python πιο συγκεκριμένα βρέθηκε να προσφέρει τη μεγαλύτερη διαδραστικότητα μεταξύ του τσιπ και υπολογιστή, καθώς μπορεί εύκολα όχι μόνο να διαβάσει τη σειριακή COM θύρα, αλλά και να στείλει εντολές στο ίδιο κανάλι με αυτοματοποιημένο τρόπο. Ολόκληρος ο αλγόριθμος προορίζεται να τρέχει από το τσιπ, ακόμη και όταν αυτό είναι αποσυνδεδεμένο από τον υπολογιστή. Για αυτόν τον λόγο, όλος ο κώδικας του τσιπ γίνεται compile στο IAR Embedded Workbench και σχηματίζει ένα jtag script. Αυτό το script εκτελείται και σαν αποτέλεσμα ο κώδικας μεταφέρεται στη μη-πτητική μνήμη του τσιπ και μένει εκεί ακόμη και αν το τσιπ επανεκκινηθεί ή αποσυνδεθεί ΑΝΑΛΥΣΗ ΑΠΑΙΤΗΣΕΩΝ Για να είναι σε θέση ο αλγόριθμος να ανταποκριθεί στις απαιτήσεις, καθεμία από αυτές αναλύθηκε ξεχωριστά. Χρησιμοποιήθηκαν σαν δείγματα πληθώρα φορτίων, περισσότερα από τα οποία παραθέτονται παρακάτω: 1. OSRAM Classic ECO, 116W (Αλογόνου, ωμική) 2. OSRAM CL P25 4,5W (LED, Smps) 3. OSRAM Halogen ES 28W (Ωμική) 4. LUMITRONIX 3W (Led) 5. OSRAM DULUX EL DIM 20W (CFL) 6. Επαγωγικός μετασχηματιστής (πηνίου) 230/11,5V, cosφ= OSRAM DULUXSTAR 10W (CFL) 8. OSRAM 25W Πυρακτώσεως (Ωμική) 9. LIGHTWAY CFL 11W, not dimmable 10. Βλ.δείγμα#3 11. Ωμική πυρακτώσεως 40W 12. OSRAM DULUXSTAR 5W (CFL) 13. KEYLED B-13E W (Led) 14. MEGAMAN 20W (DorS dimming system) 15. Energy saving CFL, 11W (FLE11TBXT3) 16. EASY CONNECT 1W (Led) 17. Ωμική πυρακτώσεως 15W 18. MEGAMAN Compact Classic 6W (CFL) 19. IKEA CFL 7W 20. MEGAMAN Compact Globe 20W 21. PARATHOM R50 6W (Led) 22. IKEA CFL 5W 23. MEGAMAN Compact Reflector 11W 24. MEGAMAN Liliput Plus 11W 25. OSRAM DULUX SUPERSTAR Micro Twist 11W (CFL) 26. MEGAMAN Compact W (CFL) 27. REV Discharge Lamp 6W (με ηλεκτρονικό έρμα) 28. FIRALUX Self-Monitoring Transformer 230/11,5V 29. SPEEDY Electronic Safety Isolating Transformer, 230/11,5V 38

39 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου 30. EAGLERISE Electronic Transformer, 230/11,5V 31. EGLO Lampateur 20W 32. Discharge lamp με κλασικό έρμα, 20W 33. STEFFEN Projector 150W W Λαμπτήρας αλογόνου 35. OSRAM CLA75 14,5W (Dimmable Led) 36. OSRAM DULUX DIM 16W (Dimmable CFL ES) 37. EGLO 7W (Dimmable led) 38. Βλ.δείγμα #2 39. OSRAM T26 15, χαμηλής ισχύος led, 0,8W 40. Acriche High Voltage led 3,3W 41. MEAN WELL Class 2 τροφοδοτικό με αντίσταση 1200Ω στην έξοδο (Υψηλή χωρητικότητα εισόδου) 42. Ledxon-replace, LED 10W 43. LEDON 6W Dimmable LED 44. OSRAM LED Parathom pro dimmable 12W 45. MullerLicht αλογόνου 28W 46. Segula Dimmable LED 2,7W 47. Philips MASTER LEDbulb MV Dimmable 12W 48. Philips dimmable led 4w 49. Lumitronix 4W Ledspot, non-dimmable 50. Philips Novallure LED lustre clear 3w Dimmable 51. OSRAM LED 12W Dimmable 52. Philips 7W dimmable LED 53. Toshiba LED E-CORE 7.1W Dimmable 54. Philips Dimmable Genie EnergySaver 18W 55. Philips Dimmable Tornado CFL 13W 56. OSRAM Duluxstar MiniTwist 23W 57. LEDON 7W Dimmable LED (~δείγμα#43) 58. Philips dimmable led 4W (~δείγμα#48) 59. Philips 7W dimmable LED (~δείγμα#52) ΑΝΙΧΝΕΥ ΣΗ ΑΛΛ ΑΓΗΣ Φ ΟΡΤΙΟΥ Εάν συμπεριληφθούν στον αλγόριθμο υλοποιήσεις που αφορούν για παράδειγμα αυτόματη εκτίμηση καμπυλών dimming, δε θα ήταν δεκτό αυτός να εκτελείται κάθε φορά που το φορτίο τροφοδοτείται, καθώς θα εισήγαγε καθυστέρηση πολλών δευτερολέπτων και θα ήταν οπτικά ενοχλητικό. Είναι συνεπώς αναγκαίο να βρεθεί ένας τρόπος να αναγνωρίζεται το εάν το φορτίο έχει αλλαχθεί. Καθώς αυτός ο έλεγχος δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί ενώ το τσιπ ή η βαθμίδα εξόδου είναι κλειστά, πρέπει να εκτελείται σε κάθε νέο άνοιγμα του φορτίου. Για αυτόν τον λόγο, πρέπει να βρεθούν τα περισσότερο χαρακτηριστικά και σταθερά γνωρίσματα κάθε φορτίου και να χρησιμοποιηθούν για να παράγουν ένα αποτύπωμα του φορτίου [18], [19]. Με αυτόν τον τρόπο, στην επόμενη εκτέλεση του 39

40 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου αλγορίθμου θα πρέπει να υπάρχει ένας γρήγορος έλεγχος του εάν αυτό το αποτύπωμα παραμένει το ίδιο ή όχι. Εάν ο αλγόριθμος περάσει αυτόν τον έλεγχο χωρίς να εντοπίσει κάποια σημαντική διαφορά, θα πρέπει να υποθέτει πως το φορτίο δεν έχει αλλαχθεί και να δέχεται τα αποτελέσματα της τελευταίας εκτέλεσης του αλγορίθμου. Οι μεγαλύτερες προκλήσεις αυτής της λειτουργίας είναι το ότι: Η μόνη βασική πηγή αναγνώρισης είναι τα δείγματα του ρεύματος, καθώς η τάση στην έξοδο δεν δειγματοληπτείται και τα πειράματα δείχνουν πως στατιστικά όπως η ισχύς ή η διαφορά φάσης δεν είναι πολύ αξιόπιστα κατά την εκκίνηση. Αυτή η φάση πρέπει να ολοκληρωθεί όσο το δυνατόν ταχύτερα, καθώς θα πρέπει να είναι σχεδόν αόρατο στο μάτι το γεγονός πως υπήρξε διέγερση στο φορτίο. Η θερμοκρασία του λαμπτήρα μπορεί να ποικίλλει ανάμεσα σε διαφορετικές εκκινήσεις του φορτίου και αυτό επηρεάζει την κυματομορφή του ρεύματος, αλλά το αποτύπωμα πρέπει να αναγνωρίζεται παρά τις διαφορές αυτές. Το φορτίο μπορεί να είναι φορτισμένο ή όχι ως προς τη χωρητικότητά του, ανάλογα με τον τύπο του και το χρονικό διάστημα ανάμεσα στο τελευταίο κλείσιμο του και την ανατροφοδότηση του. Αυτό επίσης δεν θα πρέπει να επηρεάζει το αποτύπωμα. Έγινε η υπόθεση πως τα δείγματα ρεύματος μιας ημιπεριόδου πλήρους φόρτισης είναι αρκετά για να αναγνωρίσουν το φορτίο και να αποφασιστεί εάν αυτό άλλαξε ή όχι. Η διακύμανση της θερμοκρασίας του λαμπτήρα δεν είναι κάτι που μπορεί να αποφευχθεί, συνεπώς ο αλγόριθμος πρέπει να έχει κάποια περιθώρια ανοχής. Για πιθανή αποφόρτιση της χωρητικότητας του φορτίου, η βαθμίδα εξόδου μπορεί να ανοίξει στιγμιαία στο πέρασμα της τάσης από το σημείο μηδέν. Τα δείγματα θα παρθούν στην αρχική ημιπερίοδο, επειδή το άναμμα του λαμπτήρα για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα θα ήταν ορατό στο μάτι και ανεπιθύμητο. Οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν αυτά τα αποτελέσματα, καθώς το Σχήμα 2-2 απεικονίζει τα δείγματα του ρεύματος για την πρώτη ημιπερίοδο σε δύο εκκινήσεις: ενώ το φορτίο βρίσκεται σε θερμοκρασία δωματίου και ενώ είναι αρκετά θερμότερο. 40

41 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-2: Τα δείγματα ρεύματος σε διαφορετικές εκκινήσεις του φορτίου ΔΙΕΡ ΕΥ ΝΗΣΗ ΑΝ ΤΟ ΦΟ ΡΤΙΟ ΕΙΝΑΙ ΑΣΦΑΛΕΣ Ισχύς Το dsc τσιπ προορίζεται για χρήση πίσω από κάθε μεμονωμένο φορτίο και δεν πρέπει να χειρίζεται φορτία μεγαλύτερα των 200W. Ο περιορισμός αυτός πηγάζει από το ότι το ρεύμα που παρέχεται στο φορτίο περνάει από τα MOSFET ισχύος, που δεν μπορούν να χειριστούν μεγαλύτερα μεγέθη λόγω της θερμότητας που εκλύουν. Παρόλα αυτά, δεν είναι σπάνιο το φαινόμενο κάποιος χρήστης να συνδέει κάποιο ασυνήθιστα μεγάλο φορτίο ή ακόμη να έχει καλώδιο επέκτασης με πολλούς λαμπτήρες συνδεδεμένους σε ένα μόνο dsc. Αυτή η κατάσταση μπορεί κάποιες φορές να ενεργοποιήσει τον μηχανισμό ασφαλείας υπερρεύματος στο υλικό, αλλά κάποιες φορές το φορτίο είναι αρκετά μικρό για να μην ενεργοποιήσει αυτόν τον μηχανισμό, αλλά αρκετά μεγάλο για να υπερθερμάνει σταδιακά τα τρανζίστορ εξόδου και να τα οδηγήσει σε αστοχία. Κάτι τέτοιο πρέπει να αποφευχθεί και η πρώτη προσπάθεια προς αυτήν την κατεύθυνση θα ήταν η εκτίμηση της πραγματικής ισχύος σε watts μέσω του αντίστοιχου καταχωρητή που καταγράφει την ισχύ στη μονάδα UIADC. Με αυτόν τον τρόπο, εάν η ισχύς παραμένει σε ασυνήθιστα υψηλά επίπεδα για περισσότερο από 2 περιόδους, η βαθμίδα εξόδου πρέπει να κλείσει και το φορτίο να αποσυνδεθεί. Εάν τροφοδοτήσουμε τους λαμπτήρες, καταγράψουμε αμέσως τη μέτρηση ισχύος από το υλικό και επιχειρήσουμε να αναπαραστήσουμε αυτή τη μέτρηση σε σχέση με την ονομαστική ισχύ που αναγράφεται σε κάθε φορτίο, έχουμε το Σχήμα

42 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-3: Μέτρηση ισχύος κατά τις πρώτες στιγμές εκκίνησης φορτίου, συσχέτιση με ονομαστική ισχύ Αυτό υποδεικνύει πως υπάρχει γραμμική συσχέτιση ανάμεσα στην ισχύ και την τιμή του καταχωρητή, όπως ήταν αναμενόμενο. Ωστόσο, είναι φανερό πως κάποιες μετρήσεις αποκλίνουν από αυτήν τη γραμμή και τέτοια επίπεδα ανοχής θα επέτρεπαν μόνο μια αρκετά πρόχειρη εκτίμηση της ισχύος. Διερευνώντας αυτό το γεγονός, τα πειράματα έδειξαν πως αυτό οφείλεται στο ότι κάποια φορτία απαιτούν κάποιο χρόνο για να ανάψουν πλήρως. Η ισχύς απαιτεί κάποιες φορές όχι απλά ανάφλεξη, αλλά ακόμη και ολόκληρα λεπτά λειτουργίας για να σταθεροποιηθεί στην ονομαστική. Αυτό το γεγονός περιορίζει και την ικανότητα της εκτίμησης ισχύος στη μελέτη μας σε συγκεκριμένα επίπεδα ακρίβειας. Ένα τέτοιο παράδειγμα παρουσιάζεται (Πίνακας 2-1) για τρία φορτία, έχοντας σε παρένθεση την τιμή που μετρήθηκε στις πρώτες περιόδους, η οποία είναι πολύ διαφορετική σε σχέση με τη σταθερή καταναλισκόμενη ισχύ που μετρήθηκε επανειλημμένα. 42

43 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Power stability on lamp #5 (350) #20 (2100) #26 (1400) Πίνακας 2-1: Σύγκριση αρχικής με σταθερή ισχύ, τιμές καταχωρητών Λαμβάνοντας υπόψη αυτό το γεγονός και επαναλαμβάνοντας τις μετρήσεις, όλα τα σημεία αναδεικνύουν γραμμική σχέση με πολύ μικρότερη απόκλιση και μια εκτίμηση της σχέσης αυτής είναι: P=(Last_Ipt+60)/65 Watts Σχήμα 2-4: Συσχέτιση ονομαστικής ισχύος με τη μέτρηση του υλικού του τσιπ 43

44 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Μια διαφορετική προσέγγιση για την εκτίμηση ισχύος επιχειρήθηκε μετρώντας την κατανάλωση ισχύος σε χαμηλές γωνίες dimming. Αυτό δυνητικά θα μείωνε την οπτική ενόχληση, αλλά παρείχε λιγότερο ακριβή αποτελέσματα και θα απαιτούσε ήδη γνώση της σωστής μεθόδου dimming (trailing ή leading edge) ή την προσπάθεια και με τις δύο, το οποίο θα ήταν επώδυνο για τα περισσότερα φορτία. Η ιδέα αυτή εγκαταλείφθηκε και δεν ερευνήθηκε περαιτέρω. Χωρητικότητα εισόδου Μια άλλη πολύ χρήσιμη μετρική για να διασφαλιστεί πως το φορτίο δεν είναι επικίνδυνο θα ήταν η χωρητικότητα εισόδου, ιδιαίτερα για φορτία που περιλαμβάνουν SMPS δομές. Εάν οι χωρητικότητες αυτών των φορτίων, είναι αρκετά μεγάλες (Cin>500nF), μπορεί να έχουν καταστροφικές επιπτώσεις σε περίπτωση που υπάρξει ένα καρφί τάσης στο δίκτυο, λόγω κάποιου κεραυνού. Αυτό οφείλεται στο ότι οι χωρητικότητες αυξάνουν δραματικά το ρεύμα που θα περάσει από τα τρανζίστορ εξόδου της διάταξής μας. Η χωρητικότητα αυτή μπορεί πρακτικά να μετρηθεί καλύτερα στην πρώτη άνοδο της κυματομορφής ρεύματος, καθώς είναι η στιγμή που το φορτίο είναι λιγότερο φορτισμένο. Αυτή η χωρητικότητα είναι ίση με το φορτίο Q που παρέχεται στην έξοδο, διαιρεμένο με την τάση του πυκνωτή [20], [21]. Το φορτίο Q μπορεί να υπολογιστεί σαν το ολοκλήρωμα του ρεύματος κατά τον χρόνο ανόδου. Συνεπώς, ο υπολογισμός της χωρητικότητας εισόδου επιχειρείται μέσω του τύπου: Χρησιμοποιώντας τα σύμβολα: Ts= (0.02/390), βήμα δειγματοληψίας στο χρόνο =Άθροισμα των (Isamples[0:r])*2.5/32767 V=325*(sin(r)-sin(0)), voltage charge during rise Παρόλα αυτά, στην πραγματικότητα, μια δομή SMPS είναι περίπλοκη και εφόσον περιλαμβάνει ενεργά στοιχεία, όπως δίοδοι, η χωρητικότητα εισόδου δεν μπορεί να οριστεί εύκολα. Το ρεύμα που τη φορτίζει είναι επαλληλία του ρεύματος που φορτίζει τον πυκνωτή φίλτρου και των ρευμάτων που ρέουν στα κομμάτια του κυκλώματος μετά τον ανορθωτή. Σχήμα 2-5: Χωρητικότητες σε δομές SMPS Στο Σχήμα 2-6 παρουσιάζεται μια χαρακτηριστική σύγκριση μεταξύ των κυματομορφών ρεύματος κατά την εκκίνηση ενός 4nF SMPS και ενός 100nF που τυχαίνει 44

45 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου να είναι εξαιρετικά όμοιες, καταδεικνύοντας πως αυτή η μετρική δεν μπορεί να δώσει ασφαλή αποτελέσματα. Διερευνώντας περαιτέρω δυνατότητες (Πίνακας 2-2), επιχειρείται συνδυασμός μεταβλητών για να δοθεί πιο αξιόπιστη λύση: Σχήμα 2-6: Σύγκριση των κυματομορφών ρευμάτων κατά την εκκίνηση SMPS φορτίων διαφορετικής χωρητικότητας Sample Capacitance(nF) Q1 Q2 (μc) Delay (ms) Q2/Q1 (μc) Πίνακας 2-2: Διερεύνηση πιθανών συνδυασμών μετρικών για την εκτίμηση της χωρητικότητας εισόδου Q1=το φορτίο στην πρώτη άνοδο ως το ολοκλήρωμα του ρεύματος Q2=το φορτίο στην άνοδο μιας κανονικής περιόδου Delay=ο χρόνος ανάμεσα στη διέλευση της τάσης από το μηδέν και το σημείο που το ρεύμα ξεκινάει την άνοδο σε μια κανονική περίοδο Η μόνη χρήσιμη πληροφορία που εξάγεται θα ήταν η τελευταία στήλη, απλά σαν ένδειξη του αν είναι συνδεδεμένη μια πολύ μεγάλη χωρητικότητα ή όχι, ώστε να λειτουργήσει σαν συναγερμός. Αυτό το συμπέρασμα γίνεται πιο εμφανές σε μετρήσεις πάνω στο δείγμα #41 των φορτίων, το οποίο έδωσε αρκετά μεγαλύτερη μετρική και είναι 45

46 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου όντως έντονα χωρητικό. Παρόλα αυτά, δεν ήταν δυνατή πιο ακριβής εκτίμηση της χωρητικότητας εισόδου. Ρεύμα εισροής Μία άλλη χρήσιμη μετρική που θα πρέπει να μετρηθεί για να προσδιοριστεί εάν το φορτίο είναι ασφαλές ή όχι, είναι το ρεύμα εισροής. Αυτό ορίζεται σαν το μέγιστο ρεύμα που ρέει στο φορτίο κατά την πρώτη περίοδο. Τέτοια ρεύματα μπορεί να είναι αρκετά μεγάλα ακόμη και για φορτία χαμηλής ισχύος, εάν το φορτίο είναι αρκετά χωρητικό ή διαθέτει σύστημα ανάφλεξης-έρματος. Ο Πίνακας 2-3 δείχνει τα ρεύματα εισροής για τα πρώτα 42 φορτία. Στη στήλη inrush current, το μέγιστο ρεύμα εισροής που μετρήθηκε σε 3 προσπάθειες, μετατρέπεται σε ma και καταγράφεται. Η μετατροπή γίνεται χρησιμοποιώντας την πληροφορία ότι η μονάδα IADC μπορεί να παράγει αποτελέσματα στο εύρος +/- 2 15, που αντιστοιχεί σε είσοδο +/- 2.5V μετρημένη πάνω σε 0.1Ω shunt αντιστάτη. Το IADC offset και κέρδος δεν λαμβάνονται υπόψη, καθώς δεν υπάρχει ανάγκη να αυξηθεί η πολυπλοκότητα και να ληφθούν πιο ακριβείς μετρήσεις. Πίνακας 2-3: Τα ρεύματα εισροής σε ma όπως μετρήθηκαν από τον IADC ΈΛΕΓΧΟ Σ ΤΟ Υ ΑΝ ΤΟ ΦΟΡ ΤΙΟ ΕΙ ΝΑΙ DI MMABLE Είναι σημαντικό να καθοριστεί εάν η φωτεινότητα του λαμπτήρα μπορεί να τεθεί σε οποιαδήποτε άλλη σταθερή κατάσταση εκτός των 0% και 100%. Η προσπάθεια να γίνει dimming σε μία non-dimmable λάμπα πολλές φορές έχει ανεπιθύμητα αποτελέσματα, όπως τρεμόπαιγμα της φωτεινότητας, θόρυβος ή ακόμη και ζημιά στη λάμπα. Συνήθως οι λαμπτήρες που δεν μπορούν να γίνουν dimming είναι αυτοί που 46

47 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου έχουν ενσωματωμένα στην είσοδο τους ηλεκτρονικά στοιχεία, όπως διακοπτικά τροφοδοτικά, ή η λειτουργικότητά τους βασίζεται σε σύστημα έρματος. Υπάρχουν, ωστόσο, και λαμπτήρες με διακοπτικά τροφοδοτικά ή άλλα ηλεκτρονικά στοιχεία που προορίζονται για dimming. Για να προσδιοριστούν τα χαρακτηριστικά των non-dimmable φορτίων, πάρθηκαν μετρήσεις της τάσης και ρεύματος. Στα παρακάτω σχήματα φαίνονται οι τυπικότερες κατηγορίες dimmable ή μη φορτίων, ως προς τη φύση φορτίου. Πρόκειται για τα διαγράμματα ρεύματος και τάσης εκκίνησης των φορτίων, στα οποία μας ενδιαφέρει μόνο η πρώτη θετική ημιπερίοδος. Ωμικό dimmable Σχήμα 2-7: Ωμικό dimmable φορτίο Επαγωγικό dimmable Σχήμα 2-8: Επαγωγικό dimmable φορτίο 47

48 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Χωρητικό(SMPS) dimmable Σχήμα 2-9: Χωρητικό dimmable φορτίο Χωρητικό(SMPS) non-dimmable Σχήμα 2-10: Χωρητικό non-dimmable φορτίο Προσπαθώντας να διευκρινιστούν οι διαφορές ανάμεσα σε dimmable και nondimmable λαμπτήρες, οι λαμπτήρες με SMPS δομές υποβλήθηκαν σε dimming για να παρατηρηθεί η συμπεριφορά τους. Πρέπει να τονιστεί πως δεν είχαν όλοι οι nondimmable λαμπτήρες την ίδια συμπεριφορά αυξάνοντας την τάση από 0 σε 100%: 48

49 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σε χαμηλές τάσεις, κάποιοι λαμπτήρες άναβαν κανονικά, σε φωτεινότητα κοντά στην πλήρη, ακόμη και με την ελάχιστη τάση παρεχόμενη από το τσιπ. Κάποιοι άλλοι απαιτούσαν περισσότερο χρόνο για να ανάψουν, ή τρεμόπαιζαν επιχειρώντας να το καταφέρουν. Υπήρχαν ακόμη δείγματα, που μετέβαιναν σε μια λιγότερο φωτεινές καταστάσεις, χωρίς όμως να έχουν το απαραίτητο εύρος ρυθμιζόμενης φωτεινότητας για να χαρακτηριστούν dimmable. Οι υπόλοιποι λαμπτήρες έμεναν σβηστοί, μέχρι κάποιο συγκεκριμένο κατώφλι τάσης. Σε τάσεις στο μέσο του εύρους εφαρμογής, κάποιοι λαμπτήρες μπορούσαν να λάβουν 2-3 διαφορετικές φωτεινές καταστάσεις, ενώ άλλοι μπορούσαν να είναι μόνο ανοιχτοί ή κλειστοί. Είναι σημαντικό πως πολλοί από αυτούς δεν φάνηκε να έχουν συγκεκριμένο κατώφλι ανάφλεξης. Για παράδειγμα, ένας λαμπτήρας που θα άναβε στο 50% της τάσης όταν αυτή αυξανόταν, μπορεί να έσβηνε μόνο όταν η τάση έπεφτε κάτω από το 40% κατά τη μείωσή της, σαν συνέπεια της χωρητικής φύσεως των ηλεκτρονικών του λαμπτήρα. Η πιθανότητα να ανάψει ο λαμπτήρας, ειδικά για CFL φορτία ήταν επίσης εξαρτώμενη της ταχύτητας με την οποία η τάση αυξανόταν. Για παράδειγμα, ο ίδιος CFL λαμπτήρας μπορεί κάποιες φορές να άναβε στο 30% της τάσης ενώ άλλες φορές στο 40%. Οι κυματομορφές ρεύματος και τάσης παρόλα αυτά, παρότι διέφεραν για διαφορετικά φορτία, ακολουθούσαν συγκεκριμένο μοτίβο για λαμπτήρες που είχαν ηλεκτρονικά τροφοδοσίας στην είσοδό τους. Δεν παρατηρήθηκε διαφορά του μοτίβου σε dimmable και non-dimmable SMPS. Για να διαχωριστούν λοιπόν τα φορτία σε dimmable και μη, ο πρώτος διαχωρισμός που μπορεί να γίνει είναι ανάμεσα σε λάμπες με ηλεκτρονικά τροφοδοτικά και χωρίς. Για αυτόν τον σκοπό, μελετώντας τα σχήματα παραπάνω, προτείνονται τα παρακάτω βήματα: 1. Λήψη ενός buffer δειγμάτων ρεύματος μιας περιόδου, όχι startup 2. Κατάταξή τους σε αύξουσα σειρά (O(NlogN) πολυπλοκότητα) 3. Σάρωση των δειγμάτων για να ανιχνευτούν δύο χαρακτηριστικά των SMPS δομών: i. Να παρουσιάζουν σημαντικό νεκρό χρόνο (ο αριθμός των δειγμάτων που είναι μικρότερα από 20% του 80 ού εκατοστημορίου των μετρήσεων) τουλάχιστον 0.25*συνολικό_αριθμό_δειγμάτων. ii. Να έχουν απότομη αύξηση, πλάτους τουλάχιστον 20% του 80 ού εκατοστημορίου των μετρήσεων σε πλάτος 15 δειγμάτων, γεγονός που δείχνει πως υπάρχουν μόνο επίπεδα on και off, χωρίς ομαλές μεταβάσεις ανάμεσά τους. 4. Εάν αυτά τα δυο κριτήρια πληρούνται, τότε το φορτίο διαθέτει δομή τροφοδοσίας. Εάν και τα δύο δεν πληρούνται, τότε δεν διαθέτει. Εάν μόνο ένα από αυτά πληρείται, περίπτωση που παρατηρήθηκε σπάνια, τότε επανάληψη της διαδικασίας χ φορές για να ληφθεί απόφαση. Εάν η περίπτωση επαναλαμβάνεται, ο αλγόριθμος δεν μπορεί να αποφανθεί με σιγουριά. Ένα σχήμα για κάθε τυπική περίπτωση παρουσιάζεται παρακάτω, όπως εξάχθηκαν με πειράματα στην Python με σειριακή επικοινωνία με το τσιπ. Η μπλε 49

50 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου καμπύλη είναι το απόλυτο του buffer δειγμάτων ρεύματος όπως αυτά μετρήθηκαν από τον IADC, ενώ η κόκκινη καμπύλη είναι ο ίδιος buffer ταξινομημένος σε αύξουσα σειρά. Χωρίς SMPS (διαφορετικά φορτία παρουσιάζουν αρκετά όμοια σχήματα) Σχήμα 2-11: Δείγματα ρεύματος από non-smps φορτίο, αταξινόμητα και ταξινομημένα σε αύξουσα σειρά Με SMPS (διαφορετικά φορτία εμφανίζουν διαφορετικές καμπύλες, αλλά πληρούν τα δύο κριτήρια) 50

51 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-12: Δείγματα ρεύματος από SMPS φορτίο, αταξινόμητα και ταξινομημένα σε αύξουσα σειρά Μια άλλη προσέγγιση είναι να αξιοποιηθεί το γεγονός πως τα SMPS φορτία τείνουν να έχουν σημαντικό «νεκρό» χρόνο, ενώ την ίδια στιγμή η χωρητικότητα εισόδου τους έχει σαν αποτέλεσμα υπερύψωση ρεύματος κατά την αρχή κάθε περιόδου. Συνδυάζοντας τα δύο αυτά χαρακτηριστικά, ο λόγος του μέγιστου προς μέσο ρεύμα σε μία περίοδο τείνει να είναι αρκετά υψηλότερος από αυτόν σε μη-smps φορτία. Θα γίνεται αναφορά από εδώ και πέρα σε αυτόν το λόγο σαν Iratio. Μετρήσεις του Iratio σε μια κανονική (όχι startup) περίοδο, τόσο για SMPS όσο και για nonsmps φορτία, παρουσιάζονται παρακάτω (Πίνακας 2-4): Πίνακας 2-4: Η μετρική Iratio σαν κατώφλι για το διαχωρισμό SMPS και non-smps φορτίων Αυτό καθιστά φανερό το ότι μπορεί να καθοριστεί κάποιο κατώφλι ανάμεσα σε στο μέγιστο Iratio των non-smps φορτίων και το ελάχιστο Iratio των SMPS φορτίων. Αυτό απλοποιεί τους υπολογισμούς και την όλη διαδικασία, εξοικονομώντας παράλληλα μνήμη στον αλγόριθμο. 51

52 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Στην επόμενη φάση, τα SMPS φορτία πρέπει να διαχωριστούν σε dimmable ή όχι. Μετρήσεις στις κυματομορφές ρεύματος και τάσης υποδεικνύουν πως αυτό δεν μπορεί να γίνει μέσω των δειγμάτων μιας περιόδου. Καθώς εξετάζουμε εάν ένας λαμπτήρας μπορεί να έχει ρυθμιζόμενη φωτεινότητα, υπάρχει βάσιμη πιθανότητα η κατανάλωση ισχύος να ακολουθεί παρόμοιες μεταβάσεις ανάμεσα σε κάποιο ελάχιστο και μέγιστο, όπως η φωτεινότητα. Μετρήσεις της κατανάλωσης ισχύος υπό γωνίες dimming επιβεβαιώνουν αυτήν την υπόθεση: οι μεταβολές της κατανάλωσης ισχύος του φορτίου είναι σε γενικές γραμμές ανάλογες των μεταβολών της φωτεινότητας του λαμπτήρα. Συνεπώς, εάν μπορούμε να κάνουμε dimming τον λαμπτήρα από το 0 ως το 100%, με ασφαλή μέθοδο (η trailing edge θα πρέπει να είναι ασφαλής για όλα τα SMPSs) και να καταγράψουμε την ισχύ, θα έχουμε μια προσέγγιση του πως συμπεριφέρεται η φωτεινότητα. Οι dimmable συσκευές παρατηρούνται να έχουν ομαλότερες μεταβάσεις από την ελάχιστη στη μέγιστη ισχύ, ενώ οι non-dimmable έχουν απότομη άνοδο σε ένα σημείο, το οποίο είναι επίσης το σημείο ανάφλεξης. Θα πρέπει να αναφερθεί πως για κάποια φορτία πολύ μικρής ισχύος, αυτό το σημείο είναι η αρχή, αλλά αυτό δεν επηρεάζει καθόλου την εγκυρότητα της μεθόδου. Ένα σημείο ανησυχίας είναι πως ίσως αυτή η φάση μπορεί να φθείρει τους non dimmable λαμπτήρες. Για αυτόν τον λόγο πρέπει να παρατηρούνται η τάση και το ρεύμα κατά την όλη διαδικασία και αν υπάρχουν καρφιά στις κυματομορφές το φορτίο να αποσυνδέεται και να χαρακτηρίζεται σαν non-dimmable. Με αυτόν τον περιορισμό, δεν καταγράφηκε καμία αστοχία non-dimmable φορτίου που υποβάλλεται σε dimming ακόμη και για μεγαλύτερα χρονικά διαστήματα. Οι μετρήσεις μιας τυπικής dimmable και μιας non-dimmable λάμπας φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 2-13: Χρήση της καμπύλης κατανάλωσης ισχύος για καθορισμό των dimmable και μη φορτίων 52

53 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Κάποιες φορές, ο διαχωρισμός ανάμεσα σε φορτία των οποίων η φωτεινότητα μπορεί να ρυθμιστεί και φορτία που δεν μπορεί, δεν είναι ξεκάθαρος. Η απόφαση δεν είναι δυαδική, αφού μπορεί κάποιοι λαμπτήρες να δηλώνονται σαν dimmable αλλά το εύρος μεταβολών φωτεινότητας που προσφέρουν να είναι φτωχό, ενώ άλλοι να μην δηλώνονται σαν dimmable, αλλά να μπορούν να λάβουν διάφορες φωτεινές καταστάσεις με ικανοποιητικό εύρος. Ο αλγόριθμος ωστόσο καλείται να επιλέξει εάν θα επιτρέψει το dimming ή όχι, επομένως πρέπει να αντιμετωπίζει τις δύο καταστάσεις σαν 0 και ΠΡΟ ΣΔΙΟ ΡΙΣΜΟ Σ Τ ΗΣ ΒΕΛΤΙ ΣΤ ΗΣ ΜΕΘΟ ΔΟΥ DI MMING Αποφασίστηκε πως ο διαχωρισμός ανάμεσα σε φορτία κατάλληλα για leading edge dimming και σε φορτία κατάλληλα για trailing edge dimming είναι αρκετός και δεν απαιτείται περεταίρω κατηγοριοποίηση σε ES, CFL, πυρακτώσεως, αλογόνου, LED και HID φορτία. Μια τέτοια κατηγοριοποίηση θα μπορούσε να γίνει ως ένα βαθμό, αλλά θα απαιτούσε πιο σύνθετες μετρήσεις, περισσότερο χρόνο και θα είχε μεγαλύτερες απαιτήσεις σε μνήμη, χωρίς να παρέχει 100% σίγουρα αποτελέσματα. Αρχικά, έγιναν πολλά πειράματα για να εξαχθούν διάφορες μετρικές από τα φορτία, που δυνητικά θα βοηθούσαν σε αυτόν τον διαχωρισμό. Έτσι, για τα φορτία 1 ως 34, αυτές οι πληροφορίες είναι διαθέσιμες παρακάτω (Πίνακας 2-5). 53

54 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Rise time Fall time PulseDur I_Oversh AvgPDiff PowerInt Max I Watts Defect 10 identical to sample High inrush current triggers Overcurrent alarm and chip keeps restarting Πίνακας 2-5: Βασικές μετρικές στη διερεύνηση της κατηγοριοποίησης των φορτίων σαν κατάλληλα για leading ή trailing edge dimming 54

55 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Τα ονόματα των πεδίων είναι ενδεικτικά και πραγματικά η μέτρηση τους γίνεται ως εξής: Rise Time: Ο χρόνος ανόδου από το 10% ως τη μέγιστη τιμή Fall Time: Ο χρόνος καθόδου από τη μέγιστη τιμή ως το 10% Pulse Duration: Το άθροισμα Rise+Fall Time I_Overshoot: Ο λόγος% ανάμεσα στο μέγιστο ρεύμα την πρώτη περίοδο και το μέγιστο ρεύμα τις επόμενες περιόδους. Πρέπει να σημειωθεί πως ο ADC δεν μπορεί να ξεχωρίσει διαφορές άνω των 2,5A (=32767). Average Phase Difference: Μετρημένη σαν η διαφορά ανάμεσα στη βασική φάση όταν η μέγιστη τάση καταγράφηκε μείον τη βασική φάση όταν το μέγιστο ρεύμα καταγράφηκε. Power Integral: Το άθροισμα fast_ut*fast_it για μια ημιπερίοδο κατά την εκκίνηση, όπως έγινε η αρχική προσέγγιση για τη μέτρηση ισχύος. Maximum Current: όπως αυτό μετρήθηκε από τον IADC Watts: Η ονομαστική τιμή που παρέχεται από τον κατασκευαστή του φορτίου. Σημειώνεται εδώ μόνο για λόγους αναφοράς και δεν χρησιμοποιείται σαν είσοδος του αλγορίθμου. Οι σημειωμένες με κόκκινο τιμές στον πίνακα φάνηκε να παρουσιάζουν μεγάλη διασπορά σε επαναλαμβανόμενες μετρήσεις και δεν ήταν αξιόπιστες. Αυτή η συμπεριφορά είναι κυρίως το αποτέλεσμα του χρόνου που απαιτείται για το άναμμα του λαμπτήρα, εξαρτήσεις από θερμοκρασία ή κάποιες φορές την ευαίσθητη φύση της ίδιας της μεταβλητής προς εξέταση. Μια πρώτη προσπάθεια έγινε με την εφαρμογή αλγορίθμων ομαδοποίησης στα δεδομένα, μειώνοντας τον αριθμό των διαστάσεων του προβλήματος σε 3, για να γίνει οπτικά κατανοητό. Αυτό έγινε με διαδικασία Principle Components Analysis (PCA) στο Matlab και το γράφημα που παράχθηκε φαίνεται στο Σχήμα 2-14, κατάλληλα στραμμένο για να τονίζεται η ομαδοποίηση ανάμεσα στα κατάλληλα για leading edge (μπλε) και κατάλληλα για trailing edge, συμπεριλαμβανομένων και των περιπτώσεων στις οποίες και οι δύο μέθοδοι είναι ασφαλείς (κόκκινα) φορτία. 55

56 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-14: PCA σε Matlab για να προσδιοριστεί κανόνας ομαδοποίησης ως προς τη μέθοδο dimming Όπως φαίνεται, το πρόβλημα είναι γραμμικά διαχωρίσιμο και μπορεί να υπολογιστεί ένα υπερεπίπεδο απόφασης. Παρόλα αυτά, οι μετρήσεις δείχνουν πως το πεδίο phase difference όπως μετρήθηκε ανάμεσα στα σημεία των μεγίστων των τιμών τάσης και ρεύματος, είναι η βασική συνιστώσα διαχωρισμού και μπορεί να σταθεί μόνη της σαν μετρική απόφασης, χωρίς σφάλμα. Καθώς η πολυπλοκότητα του αλγορίθμου είναι επιθυμητό να διατηρηθεί στο ελάχιστο, προτιμάται αυτή η προσέγγιση ΑΝ ΑΓΝΩΡΙ ΣΗ DS ΣΥ ΣΚ ΕΥΩΝ Είναι πιθανό κάποιος χρήστης να συνδέσει μια συσκευή με ενσωματωμένο τσιπ dsc11 ή dsc20 στην έξοδο ενός dsc20 τσιπ. Σε μια τέτοια περίπτωση, ο dsc20 θα πρέπει να αναγνωρίσει το φορτίο και να πληροφορήσει το σύστημα. Αυτό δεν είναι ιδιαίτερα δύσκολο, καθώς οι συσκευές dsc έχουν μια πολύ συγκεκριμένη και προβλέψιμη κυματομορφή ρεύματος, που πηγάζει από τον τρόπο που αντλούν την ισχύ λειτουργίας τους. Αυτή φαίνεται για το τσιπ dsc11 στο Σχήμα 2-15: 56

57 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-15: Η κυματομορφή ρεύματος και τάσης του dsc11 κατά την εκκίνηση Αυτό το σχήμα μπορεί να ανιχνευτεί με τα παρακάτω βήματα O(N) πολυπλοκότητας: 1. Νεκρός χρόνος: Μέτρηση του αριθμού των δειγμάτων ρεύματος με απόλυτη τιμή μικρότερη από 300. Έλεγχος εάν αποτελούν το 78-97% όλων των δειγμάτων. 2. Παλμοί φόρτισης: Μέτρηση του αριθμού των δειγμάτων ρεύματος στο εύρος [ ]. Έλεγχος του αν αυτό το ποσοστό συν το ποσοστό νου νεκρού χρόνου καλύπτουν το % όλων των δειγμάτων. Εάν ναι, υπάρχει μια DS συσκευή συνδεδεμένη σαν φορτίο. Ο dsc20 παράγει πρότυπο παρόμοιο με τον dsc11, αλλά κάποιες φορές με λιγότερους παλμούς, όμως είναι και πάλι ανιχνεύσιμο χωρίς ιδιαίτερες δυσκολίες. Αξίζει να σημειωθεί πως ακόμη και το ρεύμα φόρτισης του dsc20 είναι αντίθετα με αυτό του dsc11 ψηφιοποιημένο και μπορεί να προγραμματιστεί. Αξίζει να αναφερθεί πως ακόμη και μετά την εκκίνηση, η αναγνώριση θα ήταν και πάλι εφικτή, καθώς αυτοί οι παλμοί εναλλάσσονται με κατά συχνότητα διαμορφωμένα σήματα σε συγκεκριμένα χρονικά παράθυρα, σαν αποτέλεσμα της επικοινωνίας από τους dscs προς τους dsm, όπως φαίνεται στο κεφάλαιο σχετικά με την επικοινωνία σε συστήματα digitalstrom. Παρόλα αυτά, μια τέτοια προσέγγιση προσθέτει αχρείαστη πολυπλοκότητα στον αλγόριθμο. 57

58 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου ΑΝ ΑΓΝΩΡΙ ΣΗ DORS Λ ΑΜΠΤ ΗΡΩΝ Όπως αναφέρθηκε στην καταγραφή των απαιτήσεων, το DorS dimming είναι ένα πρωτόκολλο ρύθμισης της φωτεινότητας του λαμπτήρα ανοιγοκλείνοντας τον πολλές φορές σε μικρό χρονικό διάστημα [22]. Με αυτόν τον τρόπο, έξυπνα ηλεκτρονικά στην είσοδο του λαμπτήρα, θέτουν τη φωτεινότητά του σε συγκεκριμένες καταστάσεις. Τέτοιοι λαμπτήρες παρέχουν τη δυνατότητα ρύθμισης φωτεινότητας ακόμη και με απλούς διακόπτες που χωρίς να απαιτείται εγκατεστημένος εξωτερικός dimmer. Figure 2-16: DorS dimming protocol logo Η ανίχνευση της ύπαρξης μιας τέτοιας δομής δεν είναι δύσκολη, καθώς όπως αναφέρθηκε, οι αλλαγές φωτεινότητας φαίνεται να είναι συνδεδεμένες με συγκρίσιμες αλλαγές στην καταναλισκομένη ισχύ. Σαν αποτέλεσμα, οι μετρήσεις επιβεβαιώνουν πως εάν αυτοί οι λαμπτήρες ανάψουν και σβήσουν 4 φορές, η ισχύς που μετριέται σε κάθε επανάληψη θα εμφανίσει τουλάχιστον σε μια μετάβαση διαφορά μεγαλύτερη από 50% σε σχέση με την προηγούμενη ισχύ. Κάτι τέτοιο δεν θα συνέβαινε με κανένα άλλο φορτίο και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν κριτήριο ανίχνευσης ΚΑΜΠΥΛ ΕΣ DI MMING Ένα άλλο ενδιαφέρον χαρακτηριστικό είναι πως η αλλαγή της φωτεινότητας κατά το dimming φορτίων δεν είναι γραμμικώς ανάλογη της αλλαγής της γωνίας dimming. Φαίνεται μάλιστα πως η φωτεινότητα εμφανίζει μεγαλύτερες διαφορές όταν η γωνία dimming είναι κοντά στο μισό του μεγίστου. Πάντα θα υπάρχει η ανάγκη για ύπαρξη ενός look-up πίνακα ή μιας συνάρτησης αντιστοίχισης της γωνίας dimming με τη φωτεινότητα, για δύο βασικούς λόγους. Ο ένας είναι πως η γωνία dimming αντιπροσωπεύει τη φάση στην οποία κόβουμε το ημίτονο τάσης που παρέχεται στο φορτίο και είναι φυσικό από το σχήμα του ημιτόνου να αποκόπτουμε μεγαλύτερα τμήματα όταν κινούμαστε με σταθερό βήμα κοντά στο μέσο της ημιπεριόδου από ότι με το ίδιο βήμα στα άκρα της. Αυτό φαίνεται στο Σχήμα

59 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-16: Σχέση γωνίας dimming και ισχύος εξόδου Πέρα από αυτό το γεγονός, κάθε τύπος λαμπτήρα διαφέρει από το ιδανικό παρουσιάζοντας τα δικά του ιδιαίτερα χαρακτηριστικά. Ο άλλος λόγος είναι πως η φωτεινότητα γίνεται αντιληπτή στον άνθρωπο με υποκειμενικό τρόπο και τα μάτια είναι γενικά πιο ευαίσθητα σε αλλαγές φωτεινότητας όταν αυτή κυμαίνεται σε χαμηλά επίπεδα από ότι εάν βρίσκεται σε υψηλότερα. Η ευαισθησία αυτή μάλιστα ακολουθεί λογαριθμική καμπύλη (ή για άλλους ερευνητές τη ). Αυτό το γεγονός όμως δεν θα ληφθεί υπόψη γιατί είναι αφενός υποκειμενικό και αφετέρου στο κομμάτι αυτό ενδιαφερόμαστε μόνο στη λήψη της καμπύλης dimming. Η χρήση της και προσαρμογή της για το βέλτιστο αποτέλεσμα ως προς την αντίληψη χρήστη δεν αναλύεται στην παρούσα εργασία. 59

60 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-17: Η αντίληψη φωτεινότητας από το ανθρώπινο μάτι Σχήμα 2-18: Μοντέλα προσέγγισης της αντίληψης φωτεινότητας από το ανθρώπινο μάτι σε σύγκριση με το γραμμικό Μια συνηθισμένη μέθοδος διόρθωσης συνιστά τον καθορισμό του πως συμπεριφέρεται η φωτεινότητα ενώ η γωνία dimming διέρχεται από το ελάχιστο στο μέγιστο του πεδίου ορισμού της, σαν μια καμπύλη. Το αντίστροφο αυτής της καμπύλης, με μικρές μετατροπές, λειτουργεί σαν ένας look-up πίνακας που αντιστοιχεί κάθε επιθυμητή τιμή φωτεινότητας στην απαραίτητη γωνία που τη δημιουργεί. Αυτή η μέθοδος ιδανικά χρειάζεται μια συσκευή μέτρησης φωτεινότητας για να λειτουργήσει, αλλά όπως εξηγήθηκε και παραπάνω, υποθέτουμε μια ανάλογη σχέση ανάμεσα στη φωτεινότητα και την ισχύ. Αυτή η προσέγγιση επιβεβαιώνεται και 60

61 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου γραφικά (Σχήμα 2-19, Σχήμα 2-20, Σχήμα 2-21). Συνεπώς, ο dsc20 προσφέρει τη δυνατότητα εκτίμησης τέτοιων καμπυλών παρακολουθώντας την ισχύ που καταναλώνει το φορτίο. Αρκεί να γίνουν βέβαια κάποιες μικρές τροποποιήσεις, όπως το να αφαιρεθεί η ελάχιστη κατανάλωση σαν offset και να κανονικοποιηθεί η καμπύλη στην κλίμακα Η καμπύλη αυτή είναι διαθέσιμη έπειτα για άλλα τμήματα του λογισμικού που θα την αξιοποιήσουν. Σχήμα 2-19: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα CFL Σχήμα 2-20: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα LED 61

62 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου Σχήμα 2-21: Ποσοστά ισχύος και φωτεινότητας ως προς τη γωνία dimming για λαμπτήρα αλογόνου ΑΝΙΧΝΕΥ ΣΗ FLI CK ERING Με τον όρο flickering ή τρεμόπαιγμα, εννοούμε τις ασυνήθιστες μεγάλες αλλαγές τις φωτεινότητας ενός λαμπτήρα, κάτω από ορισμένες συνθήκες. Όταν αυτό το τρεμόπαιγμα δεν είναι αποτέλεσμα διαδοχικών επανεκκινήσεων του τσιπ ή μεγάλων διαταραχών τάσης στο δίκτυο, μπορεί να οφείλεται σε: Εφαρμογή λάθος μεθόδου dimming Παλιός λαμπτήρας ή ελαττωματικά κομμάτια του, όπως έρμα Χαμηλή τάση εφαρμοσμένη σε non-dimmable λαμπτήρα Παίρνοντας μετρήσεις της κατανάλωσης ισχύος και ελέγχοντας την τάση και ρεύμα στον παλμογράφο κατά το τρεμόπαιγμα, φαίνεται πως το ρεύμα και η τάση δεν ακολουθούν κάποιο συγκεκριμένο μοτίβο. Οι κυματομορφές τους ποικίλουν καθώς ποικίλει ο τύπος του λαμπτήρα και η αιτία του τρεμοπαίγματος. Ωστόσο, ένα κοινό στοιχείο είναι πως καθώς η φωτεινότητα διακυμαίνεται, το ίδιο κάνει και η κατανάλωση ισχύος του φορτίου. Επίσης, αυτή η εναλλαγή των καταστάσεων on και off παράγει καρφιά ρεύματος και έτσι το μέγιστο ρεύμα σε κάθε ημιπερίοδο διαφέρει επίσης έντονα. Αυτή η συμπεριφορά μπορεί συνεπώς να αναγνωριστεί παρακολουθώντας τον λόγο ισχύος και τα μέγιστα ρεύματα για μερικές περιόδους. Για αυτόν τον λόγο, τα παρακάτω βήματα προτείνονται: 1. Λήψη της ισχύος (P) και μέγιστου ρεύματος(i) σε κάθε περίοδο και συνεχής ανανέωση τους κρατώντας επίσης τις τελευταίες τιμές τους (Pold, Iold) 2. Εάν (abs((p-pold)/pold)>p_change)and(abs((i-iold)/iold)>i_change) τότε αυτό θεωρείται ένα flickering point 3. Ρύθμιση της ευαισθησίας του παραπάνω ελέγχου βελτιστοποιώντας τα όρια P_CHANGE και I_CHANGE και καθορίζοντας πόσο πυκνά πρέπει να είναι τα flickering points για να σημάνουν ειδοποίηση. Για αυτόν το σκοπό, μπορεί να οριστεί ένα σύστημα πόντων όπου κάθε flickering point θα αυξάνει μια μετρική 62

63 Η Ανάπτυξη του Αλγορίθμου κατά INCR ενώ η απουσία τέτοιου point σε μία μέτρηση θα μειώνει την ίδια μετρική κατά ποσότητα DECR. Εάν αυτή η μετρική φθάσει ένα ορισμένο όριο τότε θα παράγεται ένα μήνυμα προς τον χρήστη και σύστημα. Σχήμα 2-22: Μετρήσεις ισχύος κατά το τρεμόπαιγμα ή μη λαμπτήρα Σχήμα 2-23: Μετρήσεις ρεύματος κατά το τρεμόπαιγμα ή μη λαμπτήρα 63

64 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Κεφάλαιο 3: ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΤΟΥ ΑΛΓΟΡΙΘΜΟΥ Σε αυτό το κεφάλαιο αναλύονται οι απαιτήσεις και επιχειρείται να καλυφθούν από λύσεις που αξιοποιούν τις δυνατότητες του dsc20 s ΟΙ ΚΑΤΑΣΤΑΣΕΙΣ Το λογισμικό του τσιπ είναι μια μεγάλη μηχανή καταστάσεων, που χρησιμοποιεί την Quantum Platform (QP) [23]. Το ίδιο ισχύει και για το αρχείο load_detection.c file, που περιλαμβάνει το μεγαλύτερο ποσοστό κώδικα αυτού του project. Ο κώδικας περιλαμβάνει 4 καταστάσεις, μια αρχική, μια αδράνειας, μια που χρησιμοποιείται για την αναγνώριση αποτυπώματος του φορτίου και μια για την κυρίως διαδικασία αναγνώρισης φορτίου. Οι μεταβάσεις ανάμεσα στις καταστάσεις συμβαίνουν όπως φαίνεται στο διάγραμμα (Σχήμα 3-1) και θα εξηγηθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια στη συνέχεια. Finished Initial State Immediate Transition Load detection State Fingerprint matched Idle State Waiting for command Fingerprint repeatedly not matched FingerPrint State Load switch on Fingerprint not matched, give another chance Σχήμα 3-1: Οι QP States του αλγορίθμου αναγνώρισης φορτίου 64

65 Υλοποίηση του Αλγορίθμου 3.2. Η ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΑΠΟΤΥΠΩΜΑΤ ΟΣ Σχήμα 3-2: Το διάγραμμα ροής της ακολουθίας αποτυπώματος Ο σκοπός της ακολουθίας αποτυπώματος είναι να ανιχνεύσει εάν το φορτίο έχει αλλαχθεί ή όχι. Η διαδικασία του αποτυπώματος ξεκινάει με την ανάγνωση του τελευταίου αποτυπώματος από τη μνήμη sonos, τη μη-πτητική μνήμη του dsc20. Καθώς οι αποκλίσεις λόγω της θερμοκρασίας φορτίου δεν μπορούν να αποφευχθούν, ο μόνος παράγοντας αποκλίσεων που μπορεί να αντιμετωπιστεί είναι η δυνητικά φορτισμένη χωρητικότητα του φορτίου. Υπήρξαν προσπάθειες να ανοίξουν 65

66 Υλοποίηση του Αλγορίθμου στιγμιαία τα FETs τη χρονική στιγμή που η τάση δικτύου διέρχεται από το μηδέν, καθώς κάτι τέτοιο θα εφάρμοζε 0V στους δύο ακροδέκτες του φορτίου και θα επιχειρούσε να αποφορτίσει τις χωρητικότητες του. Παρόλα αυτά, η μέθοδος αυτή δεν μπορεί να αποφορτίσει χωρητικότητες μετά τον ανορθωτή ή διόδους που μπορεί να υπάρχουν στην είσοδο του φορτίου. Αυτό το βήμα δεν προσέφερε μεγαλύτερη αξιοπιστία όπως αποδείχθηκε πειραματικά και τελικά αφαιρέθηκε. Μετά από αυτό, μια ημιπερίοδος τάσης εφαρμόζεται, έτσι ώστε το ρεύμα να καταγραφεί και να χρησιμοποιηθεί για το χαρακτηριστικό αποτύπωμα του φορτίου. Πειράματα έδειξαν πως αυτή η ημιπερίοδος είναι αρκετά ανεξάρτητη από τους παράγοντες αποκλίσεων εάν προηγηθούν μερικά δευτερόλεπτα αδράνειας και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεχωρίσει το φορτίο από άλλα. Η παραπάνω διαδικασία εκτελείται έχοντας έναν μετρητή επαναλήψεων που τρέχει μέσα στην QState του αποτυπώματος, που παρακολουθεί πόσες περίοδοι έχουν περάσει στην κατάσταση αυτή. Τις πρώτες επαναλήψεις, υπάρχει μια εντολή sonos_read() που περνάει έναν pointer για τη συσσώρευση των προηγούμενων δειγμάτων αποτυπώματος που είναι γραμμένα στη μη-πτητική μνήμη (sonos). Την ίδια στιγμή, μια άλλη συνάρτηση καταχωρεί την κλάση προς λήψη δειγμάτων ρεύματος, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν για να υπολογιστεί το νέο αποτύπωμα. Σε αυτή τη φάση, οι διακοπές για την κλάση αναγνώρισης φορτίου είναι ενεργοποιημένες, τόσο ως προς την εκτέλεση της διαδικασίας σε κάθε περίοδο της τάσης δικτύου, όσο και σαν δέκτης δειγμάτων ρεύματος. Με αυτόν τον τρόπο, κάθε φορά που ένα νέο δείγμα ρεύματος γίνεται διαθέσιμο από τον IADC, ο interrupt handler το καταγράφει στην επόμενη θέση του buffer που ξεκινάει από τον pointer που ορίστηκε. Σχήμα 3-3: Οι μετρήσεις του ρεύματος φιλτραρισμένες με μέσο όρο 4 δειγμάτων Το αποτύπωμα υπολογίζεται με φίλτρο μέσου όρου 4-σημείων, που είναι ουσιαστικά υποδειγματοληψία 4:1 κινούμενου μέσου όρου 4-σημείων, πάνω σε 200 δείγματα ρεύματος, έχοντας σαν αποτέλεσμα 50 σημεία. Αυτό εξομαλύνει την καμπύλη και διασφαλίζει πως εάν για παράδειγμα μία απότομη ακμή συμβεί σε μια ημιπερίοδο 2-3 δείγματα νωρίτερα από ότι σε μια άλλη, πιθανότατα δεν θα επηρεάσει την αξιοπιστία 66

67 Fingerprint value Υλοποίηση του Αλγορίθμου του αποτυπώματος. Κανένα σημείο από τα 200 δεν συνεισφέρει σε πάνω από ένα σημείο των 50 του αποτυπώματος, επομένως όλα τα παράθυρα 4-σημείων είναι διαδοχικά (Σχήμα 3-3). Η σύγκριση των αποτυπωμάτων γίνεται έπειτα σε δύο φάσεις: 1. Το σχετικό μέγεθος των αποτυπωμάτων καθορίζεται, συγκρίνοντας τη %διαφορά ανάμεσα στον μέσο όρο του παλιού και του νέου αποτυπώματος. 2. Εάν η παραπάνω διαφορά δεν είναι αρκετά μεγάλη, τότε καθορίζεται η διαφορά στα σχήματα των αποτυπωμάτων, κανονικοποιώντας πρώτα το αποτύπωμα σε κλίμακα 1-10 και μετά παίρνοντας το άθροισμα των απολύτων διαφορών σημείο προς σημείο #sample Σχήμα 3-4: Δύο διαφορετικές λήψεις αποτυπώματος στο ίδιο φορτίο Κατάλληλα κατώφλια καθορίζουν εάν κάποια από τις παραπάνω δύο συνθήκες υποδεικνύει πως το φορτίο έχει αλλαχθεί. Σε τέτοια περίπτωση, η διαδικασία επαναλαμβάνεται ξανά εάν το αποτύπωμα δεν ταιριάζει, για τρεις φορές. Σε κάθε προσπάθεια η διαδικασία ξεκινάει ξανά: χρόνος αδράνειας, νέα ανάγνωση του παλιού αποτυπώματος και νέα ημιπερίοδος φόρτισης. Εάν το αποτύπωμα συνεχίζει να μην ταιριάζει, το νέο αποτύπωμα όπως λήφθηκε την πρώτη προσπάθεια αποθηκεύεται στη μνήμη sonos και τελείται μετάβαση στην κατάσταση της κυρίως αναγνώρισης φορτίου. Εάν το αποτύπωμα ταυτοποιηθεί, τότε το μέσο αποτύπωμα του παλιού και καινούριου εγγράφεται πίσω στη sonos μνήμη, το φορτίο ανάβει όπως ζητήθηκε από το ανώτερο επίπεδο και τελείται μετάβαση στην αρχική κατάσταση. Η λήψη του μέσου αποτυπώματος μεταξύ παλιού και καινούριου κάνει τη διαδικασία αυτο-προσαρμοζόμενη και πιο αξιόπιστη. Αυτή η προσαρμογή ωφελεί τη σταθερότητα του αλγορίθμου καθώς το αποτύπωμα παραμένει έγκυρο ακόμη και εάν η θερμοκρασία περιβάλλοντος αλλάζει, ο λαμπτήρας φθείρεται σταδιακά ή εάν αντικατασταθεί με ένα άλλο φορτίο, αρκετά παρόμοιο με το παλιό ώστε η διαφορά να 67

68 Υλοποίηση του Αλγορίθμου μην ανιχνευτεί. Επίσης, ανάβοντας κάθε φορά τον λαμπτήρα, το αποτύπωμα σταδιακά προσαρμόζεται στη μέση συμπεριφορά του φορτίου. Με αυτόν τον τρόπο, εάν η καμπύλη ρεύματος μπορεί να πάρει οποιοδήποτε σχήμα ανάμεσα για παράδειγμα τη μπλε και κόκκινη καμπύλη στο Σχήμα 3-5, ο καλύτερος τρόπος για να προστατευτεί ο αλγόριθμος από ψευδείς συναγερμούς είναι να έχει τη μέση, πράσινη καμπύλη σαν αναφορά σύγκρισης. Σχήμα 3-5: Η σημασία του μέσου αποτυπώματος (πράσινη καμπύλη) για την ελαχιστοποίηση αποκλίσεων Συνολικά, έπρεπε να παρθούν οι ακόλουθες σχεδιαστικές αποφάσεις για τη φάση του αποτυπώματος: Ρύθμιση της καθυστέρησης που εισάγεται πριν και μετά από κάθε μέτρηση αποτυπώματος. Μεγαλύτερες καθυστερήσεις κάνουν τη μέτρηση πιο αξιόπιστη, καθώς αφήνουν στο φορτίο περισσότερο χρόνο για να ψυχθεί και να αποφορτιστεί. Παρόλα αυτά, έχει αρνητικό αντίκτυπο στο χρόνο που αντιλαμβάνεται ο χρήστης. Η καθυστέρηση που εισάγεται πριν τη μέτρηση επηρεάζει σε άμεσα το χρόνο ανάμεσα στο πάτημα του κουμπιού και το άναμμα του λαμπτήρα. Η καθυστέρηση που εισάγεται ανάμεσα στις προσπάθειες σε περίπτωση αποτυχίας μπορεί να είναι μεγαλύτερη και ουσιαστικά επηρεάζει μόνο το χρόνο που χρειάζεται ο αλγόριθμος όταν το φορτίο έχει αλλαχθεί. Ρύθμιση του αριθμού των ευκαιριών που δίνονται σε αποτυχημένη προσπάθεια πριν να γίνει μετάβαση στην κυρίως φάση αναγνώρισης φορτίου. Αύξηση αυτού του αριθμού βοηθάει στο να αγνοηθούν απρόβλεπτες συμπεριφορές αλλά αυξάνει και τον χρόνο που το αποτύπωμα χρειάζεται σε περιπτώσεις νέων φορτίων. Επίσης, εάν οι προσπάθειες είναι αρκετές και η καθυστέρηση μικρή ανάμεσά τους, τα αποτυπώματα που λαμβάνονται τελικά πιθανότατα θα διαφέρουν από το αποτύπωμα εκκίνησης, λόγω επανειλημμένης φόρτισης. Τέτοιες περιπτώσεις οδηγούν σε μια κατάσταση όπου ένα τέτοιο αποτύπωμα χ-επανάληψης αποθηκεύεται στη μνήμη και σε κάθε φορά που ο χρήστης ζητάει να ανάψει το φορτίο, το αποτύπωμα επαναλαμβάνεται μέχρι να φτάσει στην κατάσταση αυτής της x-επανάληψης που λήφθηκε την πρώτη φορά. 68

69 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Αυτή η τελευταία περίπτωση μπορεί να αποφευχθεί ως ένα βαθμό εάν το αποτύπωμα της πρώτης ευκαιρίας είναι αυτό που αποθηκεύεται σαν τελικό, ανεξαρτήτως των ευκαιριών που δίνονται. Αυτό απαιτεί παραπάνω μνήμη, αλλά τα κέρδη σε αξιοπιστία είναι μεγαλύτερα. Η προσέγγιση πολλών ευκαιριών με μικρή καθυστέρηση δεν μπορεί να ακολουθηθεί. Πέρα από τη χωρητική φόρτιση, αυτό μπορεί να οδηγήσει σε ασταθής καταστάσεις σε κάποια φορτία και σίγουρα κάνει το αποτύπωμα πιο ορατό. Επιλέχθηκαν τελικά τρεις ευκαιρίες με μεγάλη καθυστέρηση ανάμεσά τους, χωρίς καθυστέρηση στην αρχή. Ο αριθμός των σημείων στο φίλτρο μέσου όρου έπρεπε να διευκρινιστεί. Τα 4 σημεία βρέθηκαν ικανοποιητικά για περιορισμό διακυμάνσεων και εύκολο να υπολογισθούν μέσω hardware σαν ολίσθηση. Το ποσοστό της μεταβολής ανάμεσα στο μέσο μέγεθος του παλιού και νέου αποτυπώματος έπρεπε να υπολογιστεί. Για αυτόν το λόγο, ο τύπος (A- B)*200/(A+B) χρησιμοποιήθηκε, καθώς ειδάλλως, τύπου όπως (A-B)*100/B ή (A- B)*100/A θα παρήγαγαν διαφορετικά αποτελέσματα για αλλαγή φορτίου από Α σε Β από ότι από Β σε Α. Εάν το παραπάνω ποσοστό μεταβολής δεν είναι αρκετά μεγάλο, πρέπει να συγκριθούν τα σχήματα. Για αυτό, έπρεπε να οριστεί ένας τρόπος κανονικοποίησης των αποτυπωμάτων. Κανονικοποίηση με τον μέσο των μέσων όρων ακυρώνει τον αντίκτυπο των διαφορών μεγέθους εντελώς και επικεντρώνεται στο σχήμα, ενώ κανονικοποίηση με τον μέσο όρο των μεγίστων δίνει ένα σχεδόν σταθερό πάνω όριο των τιμών που μπορεί να πάρουν τα κανονικοποιημένα σχήματα. Καθώς ο αντίκτυπος των διαφορών μεγέθους δεν ήταν απαραίτητα ανεπιθύμητο και το πάνω όριο είναι σημαντικό για υπολογισμούς σε 16bit, επιλέχθηκε η δεύτερη επιλογή. Έπρεπε να οριστεί ο τρόπος σύγκρισης των σχημάτων. Έγιναν πειράματα με το άθροισμα των τετραγώνων των διαφορών, το άθροισμα των απολύτων διαφορών και μεθόδων ετεροσυσχέτισης. Οι διαφορές τετραγώνων τονίζουν μεμονωμένες διαφορές σημείων υπερβολικά και η ετεροσυσχέτιση είναι πιο απαιτητική σε υπολογισμούς και περισσότερο κατάλληλη για ανίχνευση ολίσθησης του σχήματος ως προς το χρόνο και έτσι επιλέχθηκε το άθροισμα των απολύτων διαφορών. Πρέπει να σημειωθεί πως έπρεπε να συμπεριληφθούν στην κατάσταση αποτυπώματος και η μετρήσεις του ρεύματος εισροής και της μετρικής εκτίμησης της χωρητικότητας εισόδου, καθώς πρέπει να γίνουν στην πρώτη διέγερση του φορτίου, επομένως στο πρώτο αποτύπωμα. Η μέτρηση του ρεύματος εισροής γίνεται προσπελάζοντας τον καταχωρητή που κρατάει το μέγιστο ρεύμα που έχει καταγραφεί ανά περίοδο. Αυτή η τιμή, όπως μετρήθηκε κατά την ημιπερίοδο του αποτυπώματος, μεταφράζεται μετά σε ma σύμφωνα με τον τύπο της ανάλυσης που προηγήθηκε και αποθηκεύεται. Η μετρική για τη χωρητικότητα εισόδου όπως ορίστηκε στην ανάλυση αυτής της απαίτησης φάνηκε στην πράξη ανακριβής και αντικαταστάθηκε με άλλη, καθώς η φύση των στοιχείων δεν είναι γραμμική και η πραγματική τάση στα άκρα των πυκνωτών δεν μπορούσε να προσδιοριστεί με ασφάλεια. Υπάρχει η ανάγκη να υπολογιστεί μια τέτοια 69

70 Υλοποίηση του Αλγορίθμου μετρική όχι λόγω κάποιου κινδύνου κατά την κανονική λειτουργία, αλλά λόγω περιπτώσεων καρφιών υπέρτασης στο δίκτυο, που θα οδηγούσαν σε τεράστια ρεύματα εισροής προς αυτές τις χωρητικότητες, προξενώντας ζημιά σε όλη την εγκατάσταση. Για αυτόν τον λόγο στην υλοποίηση μετριέται η μέγιστη κλίση της καμπύλης ρεύματος κατά την εκκίνηση, σαν μια μετρική που φανερώνει πόσο υψηλότερα θα έφτανε αυτό το ρεύμα εάν η τάση ήταν μια ώθηση 1k-2kV. Τα βήματα που ακολουθούνται είναι: 1. Λήψη ενός buffer των δειγμάτων ρεύματος κατά την εκκίνηση (αποτύπωμα) 2. Προσδιορισμός του μεγίστου 3. Σαρώνοντας αντίστροφα από το χρονικό σημείο μεγίστου προς την αρχή, βρίσκεται η μέγιστη διαφορά ανάμεσα σε δείγματα ρεύματος που απέχουν CMARGIN σημεία το ένα από το άλλο 4. Διακοπή της σάρωσης όταν βρεθεί δείγμα 5 φορές μικρότερο του μεγίστου ρεύματος 5. Η μέγιστη διαφορά που βρέθηκε είναι μετρική σχετική της χωρητικότητας εισόδου και επικινδυνότητας σε περίπτωση καρφιών υπέρτασης 70

71 Υλοποίηση του Αλγορίθμου 3.3. Η ΚΥΡΙΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ Σχήμα 3-6: Το διάγραμμα ροής της κύριας ακολουθίας 71

72 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Οι στόχοι της κύριας ακολουθίας αναγνώρισης φορτίου είναι Να διευκρινιστεί εάν το νέο φορτίο είναι ασφαλές να τροφοδοτηθεί με πλήρη τάση για μεγάλο χρονικό διάστημα, λαμβάνοντας υπόψη και τους περιορισμούς του ρεύματος εισροής και της χωρητικότητας εισόδου που μετρήθηκαν στην προηγούμενη ακολουθία Να εντοπιστεί εάν πρόκειται για ειδικό φορτίο (DorS, dsc11, dsc20) Να καθοριστεί εάν είναι dimmable Να καθοριστεί με ποια μέθοδο μπορεί να γίνει dimming Να γίνει εκτίμηση της καμπύλης dimming του Ελέγχοντας εάν το φορτίο είναι ασφαλές Το σήμα εισόδου στην qstate κύριας ακολουθίας ενεργοποιεί για άλλη μια φορά τις διακοπές για τη διαδικασία και της δίνει προτεραιότητα, παρέχοντας της πλήρη έλεγχο της CPU για το χρονικό διάστημα που αυτή χρειάζεται. Η τάση τίθεται στο μέγιστο και αρχικοποιείται ένας μετρητής επαναλήψεων. Η τιμή του αντιστοιχεί στον αριθμό των περιόδων για τις οποίες ο αλγόριθμος έμεινε στην τρέχουσα κατάσταση. Στην αρχή κάθε περιόδου παράγεται μια διακοπή που δίνει τον έλεγχο στην αναγνώριση φορτίου μέχρι αυτή να απαντήσει με μια εντολή return. Τις πρώτες δύο επαναλήψεις, ενεργοποιείται η παρακολούθηση ισχύος του φορτίου, ώστε αν η ισχύς μετρηθεί πάνω από P_LIMIT για περισσότερες από P_ALARM περιόδους, το φορτίο είναι υπερβολικά μεγάλο για να λειτουργήσει σε πλήρη ισχύ και ο αλγόριθμος τερματίζει. Φορτία με πιθανή μεγάλη χωρητικότητα εισόδου πάνω από κάποιο ορισμένο κατώφλι χαρακτηρίζονται επίσης επικίνδυνα. Η τρίτη μετρική ασφαλείας, το ρεύμα εισροής, κρατήθηκε σαν χαρακτηριστική μετρική του φορτίου, αλλά δεν χρησιμοποιείται σαν συναγερμός, γιατί όπως φάνηκε στην ανάλυση, πολλές συσκευές μπορεί να έχουν το μέγιστο ρεύμα εισροής που μπορεί να μετρηθεί από τον IADC του τσιπ (2,5A), αλλά είναι ασφαλείς. Οι περιορισμοί στη μέτρηση αυτή αποτρέπουν την ουσιαστική αξιοποίηση αυτής της μετρικής. Εάν ένα φορτίο σημανθεί σαν επικίνδυνο, ένα σχετικό μήνυμα στέλνεται στο σύστημα και στη συνέχεια παραλείπονται τα υπόλοιπα κομμάτια της ακολουθίας. Εντοπισμός συσκευών DS Κατά τη διάρκεια της παρακολούθησης ισχύος, ζητείται από τη μονάδα UIADC και λαμβάνεται ένας buffer δειγμάτων ρεύματος, μετρημένα στην εκκίνηση του φορτίου, με την ίδια διαδικασία που περιγράφηκε στο πως η ακολουθία αποτυπώματος λαμβάνει αντίστοιχα δείγματα. Την επόμενη επανάληψη, αυτά τα δείγματα γίνονται αντικείμενο επεξεργασίας για να καθοριστεί εάν το φορτίο έχει κάποιο άλλο ds τσιπ ενσωματωμένο πάνω του. Το μοτίβο που ακολουθεί η κυματομορφή ρεύματος αυτών των φορτίων είναι πολύ συγκεκριμένο, όπως αναφέρθηκε στο κομμάτι της ανάλυσης. Εξετάζοντας την περίπτωση μιας συσκευής με dsc11 και οπτικοποιώντας την απόλυτη τιμή 390 δειγμάτων ρεύματος, έχουμε το Σχήμα

73 Absolute value of current on IADC Υλοποίηση του Αλγορίθμου #current sample dsc11positive1 dsc11positive2 dsc11negative Σχήμα 3-7: Πιθανές κυματομορφές ρεύματος του dsc11, ανάλογα την πολικότητα σύνδεσης του στην τάση δικτύου Ενώ σε διαφορετικό χρονισμό, τα 390 δείγματα ρεύματος (μπλε), απεικονισμένα μαζί με ένα συνημίτονο τυχαίου πλάτους (κόκκινο), συμφασικό της τάσης δικτύου, εμφανίζεται στο Σχήμα 3-8. Σχήμα 3-8: Τα δείγματα ρεύματος του dsc11 (τιμές/ δείγματα IADC) ως προς την τάση τροφοδοσίας Για να καλυφθούν και οι δυο πιθανές περιπτώσεις της πολικότητας σύνδεσης, πρέπει να γίνει ανίχνευση για αυτό το πρότυπο στην απόλυτή του μορφή, τόσο στην αρνητική όσο και στη θετική ημιπερίοδο της τάσης δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο, ακολουθώντας τα βήματα που εξηγήθηκαν στο κομμάτι της ανάλυσης, η διαδικασία για την αναγνώριση αυτού του προτύπου είναι: 1. Λήψη των δειγμάτων ρεύματος από το 0 ως Μέτρηση του αριθμού των τιμών στο εύρος [ ] σαν νεκρό χρόνο, offtime. 3. Μέτρηση του αριθμού των τιμών στο απόλυτο εύρος [ ] ως χρόνος παλμών, downpulse 73

74 Υλοποίηση του Αλγορίθμου 4. Έλεγχος εάν ((offtime>300)&&(offtime<330)&&(downpulse+offtime)>387&&((abs(s_adc_buffer[18])>2000) (abs(s_adc_buffer[214])>2000))) Αυτό καθιστά σίγουρο το ότι θα υπάρχει ικανός αριθμός δειγμάτων στην κατάσταση off, ικανός αριθμός δειγμάτων στο εύρος παλμών και τα αποτελέσματα είναι πιθανότατα όχι διάσπαρτα, επειδή η κορυφή στο σημείο #216 είναι ένα από αυτά τα λίγα σημεία παλμών. Εξετάζοντας την περίπτωση μιας dsc20 συσκευής: Σχήμα 3-9: Η κυματομορφή ρεύματος του dsc20 (τιμές/ δείγματα IADC) όπως φαίνεται στο μισό του ίδιου παραθύρου υλοποίησης Είναι ξεκάθαρο πως λόγω της χαμηλότερης κατανάλωσης του dsc20, οι παλμοί ρευμάτων που αντλεί είναι λιγότερο ή το ίδιο συχνοί, αρκετά πιο σύντομοι και έχουν μικρότερο πλάτος. Στο χρονικό παράθυρο που χρησιμοποιήθηκε για την ανίχνευση του dsc11, παίρνουμε για τον dsc20 το Σχήμα 3-9, το οποίο είναι αρκετά συνεπές για διάφορες επαναλήψεις (διαφορετικά χρώματα). Πρέπει επίσης να σημειωθεί πως τα δείγματα πάρθηκαν κατά απόλυτη τιμή, για τους λόγους πολικότητας που προαναφέρθηκαν. Τα βήματα για την αναγνώριση αυτού του σχήματος είναι παρόμοια: 1. Μέτρηση πόσων δειγμάτων του buffer έχουν απόλυτη τιμή μεταξύ 130 και Μέτρηση του αν είναι 4 ως 7. Εάν όχι, δεν πρόκειται για dsc Έλεγχος εάν όλες οι άλλες τιμές είναι μικρότερες από 130. Εάν ναι, πρόκειται για φορτίο με ενσωματωμένο dsc20. 74

75 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Αναμονή για ανάφλεξη Μετά από αυτόν τον έλεγχο, δίνεται ένα χρονικό διάστημα αναμονής, μετρημένο σε περιόδους, ώστε τα φορτία να έχουν χρόνο να ανάψουν. Κατά τη διάρκεια αυτών των περιόδων, η παρακολούθηση ισχύος συνεχίζει να εκτελείται και έπειτα απενεργοποιείται. Επιχειρήθηκε να ανιχνευτεί η χρονική στιγμή της ανάφλεξης του λαμπτήρα ως η στιγμή που παρατηρείται μεγάλη διαφορά κατανάλωσης ισχύος, ώστε να εξοικονομηθεί χρόνος. Παρόλα αυτά, στην πράξη βρέθηκαν φορτία που δεν ακολουθούσαν αυτόν τον κανόνα και η εξοικονόμηση χρόνου σε αυτήν τη φάση δεν είναι ιδιαίτερα σημαντική, συνεπώς η ιδέα εγκαταλείφθηκε. Έλεγχος για δομές SMPS Στο επόμενο group επαναλήψεων, η μονάδα UIADC παρέχει στον αλγόριθμο άλλον έναν buffer δειγμάτων. Αυτός χρησιμοποιείται για να βρεθεί το Iratio του φορτίου, ορισμένο ως ο λόγος του μέγιστου ρεύματος ως προς το μέσο σε μία κανονική περίοδο. Αυτή η μετρική χρησιμοποιήθηκε για να διαχωριστούν τα φορτία με δομές SMPS από αυτά χωρίς, καθώς ο αλγόριθμος που προτάθηκε στο κομμάτι της ανάλυσης απαιτεί πιο πολλές γραμμές κώδικα και υπολογισμούς, τη στιγμή που μια απλή σύγκριση του Iratio θα ήταν επαρκής. Το Iratio για όλες τις non-smps συσκευές είναι κοντά στην αναμενόμενη τιμή των ημιτονοειδών κυματομορφών, 2 = 141%. Το Iratio για SMPS συσκευές είναι σχεδόν πάντα υψηλότερο του 200%, καθώς ο νεκρός χρόνος της συσκευής οδηγεί σε πολύ χαμηλότερο μέσο ρεύμα. Μέτρηση ισχύος και άλλων χαρακτηριστικών μετρικών Στις ίδιες επαναλήψεις, καθορίζεται η διαφορά φάσης I-V, ως ο μέσος όρος της διαφοράς της βασικής φάσης όταν το μέγιστο ρεύμα παρατηρήθηκε μείον τη βασική φάση όταν η μέγιστη τάση παρατηρήθηκε. Η ισχύς επίσης μετράται σαν η μέση ισχύς στις ίδιες επαναλήψεις και μετατρέπεται σε Watts. Για την ισχύ, υπάρχει ένας βολικός και πιο ακριβής τρόπος υπολογισμού, ο οποίος αξιοποιεί το υπάρχον υλικό: μπορεί να οριστεί ένας αριθμός δειγμάτων, ο οποίος στην περίπτωση μας τίθεται στο 128, για τον οποίο η ισχύς θα αθροιστεί σε 32bits. Έπειτα, αυτά τα 32 bits μπορούν να διαβαστούν και να διαιρεθούν με το 128 ώστε να βρεθεί η μέση ισχύς. Καθώς η ακρίβεια του επεξεργαστή θα ήταν καλό να αξιοποιηθεί στο έπακρο, όλες οι μετρήσεις ισχύος για αυτό το κομμάτι του αλγορίθμου ολισθαίνονται αριστερά κατά M bits πριν την άθροιση, έτσι ώστε ο καταχωρητής ισχύος να φθάνει κοντά στο μέγιστο του. Μετά από αυτό, οι μετρήσεις δείχνουν πως ένας ακριβής πειραματικός τύπος για τη μετατροπή της τιμής του καταχωρητή αθροίσματος στην ονομαστική τιμή watts είναι η διαίρεση με, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3-10,για M=2. Τονίζεται πως η μετατροπή γίνεται πειραματικά προς την ονομαστική τιμή και όχι την πραγματική κατανάλωση, καθώς αυτή ακόμη δεν έχει κατασταλάξει για τα περισσότερα φορτία και ο αλγόριθμος στοχεύει στο σημείο αυτό σε ένα user-feature. 75

76 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Σχήμα 3-10: Ονομαστική ισχύς, ισχύς μετρημένη με βατόμετρο, ισχύς μετρημένη από τον dsc20 Ο τύπος μπορεί να αναλυθεί περαιτέρω θεωρητικά ερμηνεύοντάς τον μέσω του IADC και UADC κέρδους και offset του κάθε μεμονωμένου τσιπ. Παρόλα αυτά, όπως αναφέρθηκε και στο κομμάτι της ανάλυσης και φαίνεται και στον πίνακα στο Σχήμα 3-10, η ισχύς κατά την εκκίνηση του φορτίου δεν είναι συνήθως ακριβής ως προς την ονομαστική τιμή του φορτίου και έτσι το σφάλμα από αυτό το γεγονός είναι ήδη μεγαλύτερο. Στους υπολογισμούς λήφθηκε υπόψη πως οι δύο διαιρέσεις με 259 και 128 είναι ίσες με μια διαίρεση με 33152, που πρακτικά είναι αρκετά κοντά σε μια ολίσθηση δεξιά κατά 15bit, κάνοντας την εκτίμηση πολύ απλούστερη. Θεωρητικά αυτή η παραδοχή εισάγει σφάλμα 1.5%, αλλά αυτό είναι ήδη χαμηλότερο από τη διαφορά της ονομαστικής ισχύος ως προς τη μετρούμενη. (όπου SHIFTS είναι η υποκλιμάκωση της ισχύος πριν την άθροισή της (συνάρτηση του M), τα κέρδη των ADC δίνουν ένα συντελεστή διόρθωσης στις μετρήσεις των ADC, τα offsets έχουν ήδη εφαρμοστεί με αφαίρεση σε επίπεδο υλικού και το είναι το αποτέλεσμα που μετρήθηκε από το υλικό) Αυτός ο υπολογισμός συνεπώς εξαρτάται από πολλούς παράγοντες, κάποιοι από τους οποίους είναι διαφέρουν στο εκάστοτε τσιπ. Για αυτούς τους λόγους, ο τύπος που υλοποιείται: είναι μια αφαιρετική, πειραματικά προσδιορισμένη εκδοχή του παραπάνω θεωρητικού τύπου. Η διαφορά φάσης που υπολογίζεται, καθορίζει επίσης το συντελεστή ισχύος του φορτίου, υπολογίζοντας το συνημίτονό της: 76

77 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Ακόμη, αυτό κάνει δυνατό τον υπολογισμό της φαινόμενης ισχύος (S) και της άεργου ισχύος (Q). Η ισοδύναμη μέση αντίσταση είναι επίσης διαθέσιμη, καθώς είναι γνωστή η τάση που εφαρμόζεται. Τέτοιες μετρικές δεν έχουν άμεση εφαρμογή στο τσιπ, αλλά ο υπολογισμός τους γίνεται γιατί ήταν κυρίως εύκολα διαθέσιμος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μελλοντικές εφαρμογές. Η χρήσιμη πληροφορία από τις παραπάνω μετρήσεις εξαρτάται κυρίως από το εάν το φορτίο είναι γραμμικό ή όχι, επειδή εάν δεν είναι, τιμές όπως η αντίσταση ή η διαφορά φάσης δεν έχουν νόημα. Η διαφορά φάσης είναι η μετρική που καθορίζει εάν το φορτίο πρέπει να γίνεται dimming με trailing edge ή leading edge, σε περίπτωση που φυσικά βρεθεί dimmable. Ρύθμιση της μεθόδου dimming Αφού ελεγχθεί το πρόσημο της διαφοράς φάσης, η μέθοδος dimming που επιλέγεται πρέπει να εφαρμοστεί για τη συνέχεια του αλγορίθμου. Μια λεπτομέρεια που πρέπει να αναφερθεί είναι πως η μέθοδος dimming συνοδεύεται από διάφορες παραμέτρους, κάποιες από τις οποίες πρέπει να ρυθμιστούν για να έχουμε το επιθυμητό αποτέλεσμα. Η μέθοδος trailing edge ενεργοποιεί τη βαθμίδα εξόδου πάντα όταν η τάση δικτύου διέρχεται από το μηδέν και μετά την απενεργοποιεί όταν φθάσει η βασική φάση στην τιμή που αντιστοιχεί στην επιθυμητή τιμή dimming. Στη μέθοδο leading edge ωστόσο, τα πράγματα είναι λίγο πιο περίπλοκα. Η ενεργοποίηση της βαθμίδας εξόδου γίνεται αντίστοιχα όταν η βασική φάση φθάσει στην τιμή που υποδεικνύει η επιθυμητή γωνία dimming, αλλά η απενεργοποίησή της δεν μπορεί να γίνει στη διέλευση της τάσης δικτύου από το μηδέν. Ο λόγος είναι πως η επαγωγική φύση των φορτίων στα οποία χρησιμοποιείται αυτή η μέθοδος, οδηγεί σε ρεύματα που έπονται της τάσης, και επομένως έχουν μη-μηδενική τιμή όταν η τάση είναι μηδέν. Κλείσιμο των MOSFET εξόδου τη στιγμή που το ρεύμα στο φορτίο είναι μη μηδενικό, προκαλεί ταλαντώσεις τάσης λόγω της επαγωγικής φύσης των φορτίων. Αυτή η ταλάντωση μπορεί να ξεκινάει από πλάτος που ξεπερνάει τα 150V κατά απόλυτο, ανάλογα με το σημείο που γίνεται η απενεργοποίηση. 77

78 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Σχήμα 3-11: Κατώφλι για κλείσιμο στη μέθοδο leading edge, (τιμές/δείγματα IADC) Η πιο εύκολη λύση για να αντιμετωπιστεί αυτή η κατάσταση είναι να οριστεί λογική effective-value switch-off στη δειγματοληψία τάσης. Με αυτόν τον τρόπο, τα MOSFETS δεν θα κλείσουν σε μηδενική τάση, αλλά όταν η τάση, όπως αυτή μετριέται από τη μονάδα UADC, πέσει κάτω από κάποιο συγκεκριμένο όριο εντός συγκεκριμένου χρονικού παραθύρου. Ενώ αυτή η προσέγγιση φαίνεται να δουλεύει για ωμικά φορτία και τα περισσότερα ελαφρώς επαγωγικά, δεν λαμβάνει υπόψη καθόλου πόσο μεγάλη είναι η διαφορά φάσης ανάμεσα στην τάση και το ρεύμα. Ένα φορτίο ίδιας ισχύος, με χαμηλότερο συντελεστή cosφ θα μπορούσε να έχει ακόμη μη μηδενικό ρεύμα στο ίδιο κατώφλι τάσης. Σχήμα 3-12: Leading edge, καρφιά τάσης (κόκκινο) λόγω του κλεισίματος πύλης (πράσινο) όταν το ρεύμα (μωβ) δεν είναι μηδέν 78

79 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Σχήμα 3-13: Leading edge, τάση (κόκκινο) και γρήγορο, έγκαιρο κλείσιμο πύλης (πράσινο) όταν το ρεύμα (μωβ) είναι σχεδόν μηδέν Αυτό οδηγεί στη σκέψη να αλλαχθεί η πηγή του switch-off trigger από τη μονάδα UADC στην IADC, και έτσι πραγματικά να κλείσει η έξοδος όταν το ρεύμα έχει φθάσει κατά απόλυτη τιμή κάτω από ορισμένο όριο. Αυτό το όριο-κατώφλι στην ιδανική περίπτωση θα ήταν η ελάχιστη τιμή πάνω από το μηδέν. Αυτή η ιδέα είναι θεωρητικά σωστή, αλλά στην πράξη το κατώφλι πρέπει να τεθεί υψηλότερα, λόγω του χρόνου απόκρισης και του slew rate των MOSFETs. Τη στιγμή που το κατώφλι ρεύματος ενεργοποιείται, η τάση στην πύλη των FETs αρχίζει να πέφτει μέχρι να φτάσει το μηδέν. Αυτή η πτωτική καμπύλη περνάει από κάποια συγκεκριμένα στάδια, κοινά για τα περισσότερα τρανζίστορ. Το αποτέλεσμα είναι η βαθμίδα εξόδου να κλείνει ορισμένο αριθμό microseconds μετά το πέρασμα του κατωφλίου. Εάν αυτό το χρονικό διάστημα μετρηθεί και η κυματομορφή ρεύματος υποτεθεί πως είναι ιδανικό ημίτονο, μπορεί να υπάρξει ένας κανόνας που να ορίζει μαθηματικά το σωστό κατώφλι, για παράδειγμα στο 5% του μεγίστου ρεύματος. Μια τέτοια ρύθμιση θα ήταν καλύτερο να γίνει κατά τη διάρκεια της φάσης αναγνώρισης φορτίου. Αλλιώς, το κατώφλι μπορεί να πάρει μια καθορισμένη τιμή, εισάγοντας μικρό σφάλμα αλλά απλοποιώντας τη διαδικασία. Την ίδια στιγμή, το slew-rate, μόνο για την ακμή πτώσης θα μπορούσε να είναι ταχύτερο, καθώς το κλείσιμο των fets θα γίνει όταν το ρεύμα είναι σχεδόν μηδενικό (Σχήμα 3-13). Το Σχήμα 3-11 δείχνει την καμπύλη ρεύματος για σταθερό κατώφλι και διάφορες γωνίες dimming σε φορτία διαφορετικής ισχύος. Μεγαλύτερες γωνίες και φορτία μεγαλύτερης ισχύος οδηγούν σε πρόωρη ενεργοποίηση του κατωφλίου και κλείνουν τη βαθμίδα λίγο νωρίτερα του ιδανικού, αλλά οι μετρήσεις υποδεικνύουν πως η ταλάντωση είναι ανεπαίσθητη. Αυτή η μέθοδος είναι επίσης ανεξάρτητη της διαφοράς φάσης, αφού παρακολουθεί μόνο τη καμπύλη ρεύματος, χωρίς να ενδιαφέρεται για την τάση, οδηγώντας σε ίδια συμπεριφορά για ωμικά ή αμιγώς επαγωγικά φορτία. 79

80 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Καμπύλες Dimming και dimmability Στις επόμενες επαναλήψεις, υπάρχει σταδιακή αύξηση της παρεχόμενης τάσης με την κατάλληλη μέθοδο dimming, σαρώνοντας το εύρος τιμών της γωνίας dimming (0 255). Αυτό γίνεται με βήμα 10, και σε κάθε γωνία ο αλγόριθμος παραμένει για έναν ορισμένο αριθμό επαναλήψεων, ώστε να υπολογισθεί η μέση ισχύς. Οι πρώτες δυο επαναλήψεις αυτών δεν λαμβάνονται υπόψη γιατί η ισχύς είναι αρκετά ασταθής κατά τη διάρκειά τους. Ο τελικός πίνακας των τιμών ισχύος έπειτα κανονικοποιείται ως σαν ποσοστό επί τοις εκατό και θεωρείται προσέγγιση της φωτεινότητας και συνεπώς της καμπύλης dimming, σύμφωνα με την περιγραφή που έγινε κατά την ανάλυση. Το φορτίο τελικώς κατατάσσεται σαν dimmable ή όχι και αυτό γίνεται αξιολογώντας το πόσο ομαλή είναι η καμπύλη dimming που μετρήθηκε. Οι λαμπτήρες που δεν είναι dimmable παρουσιάζουν πολύ απότομη καμπύλη ανόδου (προκαλούμενη από την ανάφλεξη) και η κατανάλωση ισχύος τους είναι γενικά λιγότερο σταθερή, εννοώντας πως λίγο υψηλότερη γωνία dimming μπορεί να οδηγήσει σε καταγραφή λίγο χαμηλότερης κατανάλωσης, γεγονός που υποδεικνύει πως το φορτίο δεν ανταποκρίνεται στην αλλαγή. Από την άλλη πλευρά, τα dimmable φορτία λαμβάνουν περισσότερες διαφορετικές τιμές ανάμεσα στο 0-100%, με ομαλές μεταβάσεις. Έγιναν πειράματα υπολογίζοντας τη μετρική linvals σαν τον αριθμό των σημείων της καμπύλης που είναι μεγαλύτερα από τα προηγούμενά τους (αξιολόγηση της μονοτονίας) και τη μετρική midvals σαν το άθροισμα των τετραγώνων των διαφορών κάθε στοιχείου και του προηγουμένου, διαιρεμένα με το 4 για περιορισμό μεγέθους (αξιολόγηση ομαλότητας). Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται (Πίνακας 3-1) σε αντιδιαστολή με το πόσο dimmable κρίθηκε το φορτίο οπτικά (υποκειμενικότητα παρατηρητή). 80

81 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Πίνακας 3-1: Αξιολόγηση της dimmability συσχετίζοντας τις μετρικές με την οπτική συμπεριφορά 81

82 Υλοποίηση του Αλγορίθμου Σχήμα 3-14: Απεικόνιση λαμπτήρων χρωματισμένων με βάση τη dimmability σε πλέγμα μετρικών αξιολόγησης Από αυτό το γράφημα, επιλέχθηκε η τιμή 280 των MidVals και η τιμή 16 των LinVals σαν κατώφλια διαχωρισμού. Εάν κάποιο φορτίο τηρεί έστω και ένα από αυτά θεωρείται dimmable. Οι τιμές μπορούν να προσαρμοσθούν ανάλογά του εάν είναι προτιμητέο ένα dimmable φορτίο να χαρακτηριστεί μη dimmable ή το αντίθετο. Τα δείγματα που χαρακτηρίζονται στο γράφημα σαν SemiDimmable είναι δείγματα που παρουσίασαν πολύ μικρές αλλαγές στη φωτεινότητα ή ήταν ειδικές περιπτώσεις, όπως LED ισχύος μικρότερης του ενός watt, οι καμπύλες dimming των οποίων δεν μπορούσαν να μετρηθούν με συνέπεια και ακρίβεια. Σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες, η μετρική MidVals φαίνεται να καταγράφει μικρότερες τιμές για τα ίδια φορτία και κάποια nondimmable δείγματα περνάνε το κατώφλι. Όμως, η διαδικασία προορίζεται να εκτελείται όταν το φορτίο έχει αλλαχθεί και αυτό το νέο φορτίο δεν αναμένεται γενικά να είναι ήδη θερμό. Παράλληλα, πραγματοποιείται συνεχής έλεγχος κατά την αύξηση της γωνίας dimming για μετρήσεις τάσης ή ρεύματος που είναι κοντά στο μέγιστο των ADCs. Κάτι τέτοιο θα φανέρωνε όχι απλά πως το φορτίο δεν είναι dimmable, αλλά πως μπορεί να 82

83 Υλοποίηση του Αλγορίθμου φθαρεί εάν γίνει dimming σε αυτό για αρκετή ώρα. Σε τέτοιες περιπτώσεις το φορτίο κατηγοριοποιείται σαν non-dimmable και η διαδικασία περνάει στο επόμενο στάδιο. Πρέπει να σημειωθεί πως έτσι δεν παρατηρήθηκαν περιπτώσεις δειγμάτων που να έφτασαν σε αστοχία λόγω dimming. DorS dimming πρωτοκόλλου Σαν τελευταίο βήμα, γίνεται έλεγχος για το εάν το φορτίο είναι ειδικός λαμπτήρας που ακολουθεί το DorS dimming protocol: H βαθμίδα εξόδου κλείνει και ανοίγει ξανά 4 φορές, ενώ παράλληλα μετριέται η ισχύς του φορτίου σε κάθε άνοιγμα Συσκευές που ακολουθούν το DorS γενικά θα πρέπει να μεταβαίνουν με αυτήν την ενέργεια ανάμεσα σε 4 στάδια φωτεινότητας και κατά προσέγγιση και κατανάλωσης ισχύος: (100%, 66%, 33%, 5% για CFLs) ή (100%, 50%, 20%, 5% για LEDs) [22]. Ένας απλός έλεγχος είναι να παρατηρηθεί εάν σε οποιαδήποτε μετάβαση ανάμεσα στα στάδια υπάρξει μεταβολή της κατανάλωσης πάνω από 150%, αφού κάτι τέτοιο δεν θ συνέβαινε σε κανένα άλλο φορτίο. Εάν βρεθεί τέτοια μεταβολή τότε παράγεται ένα μήνυμα ανίχνευσης. Αποθήκευση των αποτελεσμάτων Τα σημαντικότερα αποτελέσματα αποθηκεύονται στο τέλος της κύριας ακολουθίας σε μία λέξη (16bit) στη μη-πτητική μνήμη και είναι διαθέσιμα προς χρήση από την ακολουθία αποτυπώματος για να τα χρησιμοποιήσει, ή για άλλους σκοπούς του συστήματος. Για αυτό, αποφασίστηκε το format που παρουσιάζεται στο Σχήμα Potentially dangerous? DS? Dimmable? Power (watts) Not used SMPS? DorS? Trail(0)/ Lead(1) Σχήμα 3-15: Format αποθήκευσης αποτελεσμάτων 83

84 Υλοποίηση του Αλγορίθμου 3.4. ΈΛΕΓΧΟΣ FLICKERING Η υλοποίηση του ελέγχου flickering γίνεται σε διαφορετικό αρχείο, με μία ελαφριά παραλλαγή των βημάτων που παρουσιάστηκαν στην ανάλυση: Οι μετρήσεις των δειγμάτων ρεύματος παραλείπονται γιατί για κάποια φορτία που έχουν ασταθές ρεύμα οδηγούν σε ψευδείς συναγερμούς. Λαμπτήρες μέγιστης ισχύος μικρότερης από 200 (4watt) δεν ελέγχονται γιατί η ακρίβεια μέτρησης ισχύος σε αυτό το εύρος οδηγεί επίσης σε ψευδείς συναγερμούς. Από τη στιγμή που μερικοί λαμπτήρες τρεμοπαίζουν σε υψηλότερη συχνότητα με μικρές μεταβολές φωτεινότητας, ενώ άλλοι ανοιγοκλείνουν πλήρως αλλά σε μικρότερη συχνότητα, κρίθηκε ορθότερο να συγκρίνεται το άθροισμα των ημιπεριόδων κάθε δευτερολέπτου με ένα κατώφλι. Εντοπισμός υπέρβασης αυτού του κατωφλίου για περισσότερα από ένα τέτοια αθροίσματα ενεργοποιεί συναγερμό flickering. Το κατώφλι αυτό έπρεπε να βελτιστοποιηθεί και βρέθηκε πως είναι σχετικό του μεγέθους ισχύος του φορτίου. Φορτία υψηλότερης ισχύος ήταν πιο σταθερά σε ποσοστιαίες διακυμάνσεις ισχύος, ενώ φορτία χαμηλότερης ισχύος μπορούσαν να έχουν μεγαλύτερες διακυμάνσεις χωρίς αυτό να σημαίνει πως τρεμοπαίζουν σε φωτεινότητα. Το κατώφλι ( ) που προκύπτει παρουσιάζεται γραφικά στο κεφάλαιο των αποτελεσμάτων (Σχήμα 4-5) ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΝΗΜΗΣ, ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΚΑΙ ΘΕΜΑΤΑ ΣΥΓΧΡΟΝΙΣΜΟΥ Κάθε «επανάληψη» στον κώδικα είναι συγχρονισμένη με τις περιόδους της τάσης δικτύου, καθώς ο κώδικας εκτελείται όταν παράγεται η διακοπή από τη διέλευση της τάσης από το μηδέν προς τα θετικά. Αυτό είναι πολύ χρήσιμο, καθώς κρατάει τη συνολική διαδικασία συγχρονισμένη, ανεξαρτήτως των πόσων υπολογιστικών κύκλων χρειάζονται οι εντολές κάθε επανάληψης, αρκεί να προλαβαίνουν να εκτελεστούν σε μια περίοδο. Το ποσοστό μνήμης που ο αλγόριθμος απαιτεί για να αποθηκεύσει τον κώδικα και στη συνέχεια να δεσμεύσει χώρο για τις μεταβλητές πρέπει να κρατηθεί στο ελάχιστο. Ιδιαίτερα για το μέγεθος κώδικα + σταθερών, ο περιορισμός των 26kB για το συνολικό κώδικα του τσιπ είναι πολύ δεσμευτικός. Ο κώδικας του τμήματος load_detection μετρήθηκε στα 3.3kB στην πλήρη του έκδοση και έφτασε στα 1.1kB με μόνο τη λειτουργία του αποτυπώματος, παρακολούθησης ισχύος και επιλογής μεθόδου dimming, βελτιστοποιημένα. Προς την ίδια κατεύθυνση, έγιναν βελτιστοποιήσεις όπως: Οι υπολογισμοί ημιτόνου και συνημίτονου έγιναν όλοι με χρήση του hardware υλοποιημένου υπολογισμένου (sin) 2, διαθέσιμο για μισή μόνο περίοδο. Για αυτούς τους υπολογισμούς, ο παρακάτω τύπος χρησιμοποιήθηκε σαν βάση: 84

85 Υλοποίηση του Αλγορίθμου ( ) Το υλικό απαιτεί 2 κύκλους μηχανής για να δώσει το αποτέλεσμα και έτσι η τελική συνάρτηση ήταν: int Sinus(int x){ x=(x+192)%256; if (x>127) {x=255-x;} REG_DSTX_BCT_SIN2_ADR = x; no_operation(); no_operation(); return (int)(255-2*reg_dstx_bct_sin2_dat); } Κάποιοι πολλαπλασιασμοί έγιναν με απευθείας ανάθεση στο hardware: γράφοντας τον πολλαπλασιαστή και τον πολλαπλασιαστέο σε συγκεκριμένους καταχωρητές, παρέχεται αμέσως το αποτέλεσμα σε δύο άλλους καταχωρητές (το αποτέλεσμα πολλαπλασιασμού δυο αριθμών x- bit είναι πάντα μήκους 2x-bit). Η δήλωση μεταβλητών για προσωρινή κράτηση αποτελεσμάτων ήταν γενικά προτιμότερη από την επανάληψη υπολογισμών, καθώς το μέγεθος κώδικα ήταν πιο σημαντικό να περιοριστεί. Η ταχύτητα υπολογισμών ήταν επίσης χαμηλής προτεραιότητας, επειδή ο αλγόριθμος μονοπωλεί τη χρήση της CPU εκείνο το διάστημα. Τα 16bit του καταχωρητή ήταν σημαντικό εμπόδιο για την ακρίβεια, καθώς δεν υπάρχει υλοποιημένη αριθμητική κινητής υποδιαστολής. Αυτό έχει αποτέλεσμα υπολογισμοί όπως να προκαλούν υπερχείλιση και να ισούνται με -1, ενώ οι ίδιοι υπολογισμοί γραμμένοι ως να ισούνται με μηδέν. Αυτό ήταν δύσκολο να ξεπεραστεί, καθώς η υποκλιμάκωση ενός υπολογισμού κατά ένα σταθερό παράγοντα αρκετά μεγάλο για να καλύψει περιπτώσεις πολλών watt, οδηγεί σε αποτέλεσμα πάντα 0 σε μικρά φορτία. Για αυτόν τον λόγο, υπήρξαν δύο συναρτήσεις που υλοποιήθηκαν, μια για πολλαπλασιασμό και διαίρεση και μια για άθροιση αριθμών, οι οποίες κάνουν όλους τους επιθυμητούς υπολογισμούς κρατώντας μια κλίμακα s ως * σε όλες τις εισόδους και το αποτέλεσμα. Με αυτόν τον τρόπο, υπολογισμοί αριθμών σε χιλιάδες ή εκατομμύρια ή δεκαδικών αριθμών μικρότερων της μονάδας μπορούν να γίνουν με τον ίδιο τρόπο Η εγκυρότητα του αποτυπώματος ισχυροποιήθηκε με την υπόθεση πως το φορτίο δεν μπορεί να αλλαχθεί σε λιγότερο από 7 δευτερόλεπτα, συνεπώς δεν απαιτείται έλεγχος εάν η βαθμίδα εξόδου κλείσει και ανοίξει ξανά σε μικρότερο χρονικό διάστημα. Αυτό βοηθάει πολύ στην ακρίβεια και συνέπεια του αποτυπώματος, καθώς αποφεύγει εν μέρει καταστάσεις που το φορτίο είναι πολύ θερμό ή φορτισμένο και μπορεί να οδηγήσει σε μη-ταυτοποίηση. Για την υλοποίηση αυτής της ιδέας, ένας timer αρχικοποιείται και εκκινεί σε κάθε κλείσιμο του φορτίου. Εάν φτάσει τα 7 δευτερόλεπτα, σταματάει και ένα bit ενεργοποιείται σε σχετικό καταχωρητή. Με αυτόν τον τρόπο, εάν η αναγνώριση φορτίου βρει αυτό το bit μηδέν δεν εκτελείται. 85

86 Αποτελέσματα Κεφάλαιο 4: ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσματα παράχθηκαν με ημι-αυτόματο τρόπο, έχοντας ένα python script το οποίο λαμβάνει και στέλνει δεδομένα με σειριακή επικοινωνία προς τον dsc20. Ο χρήστης θα πρέπει να αλλάζει το φορτίο και να υποδεικνύει στο script εάν αλλάχθηκε και πιο φορτίο συνδέθηκε. Το script τρέχει την ακολουθία αποτυπώματος ή/και την πλήρη αναγνώριση φορτίου και έπειτα αποθηκεύει το αποτέλεσμα που διαβάζει σε μεταβλητές και αρχεία ώστε να διατηρήσει στατιστικά των μετρήσεων ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ ΑΠΟΤΥΠΩΜΑΤΟΣ Πίνακας 4-1: Αποτελέσματα αποτυπώματος Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται με συντομία παραπάνω (Πίνακας 4-1). Ο αλγόριθμος αναγνώρισε σωστά SP φορές πως το φορτίο δεν έχει αλλαχθεί, ενώ εντόπισε εσφαλμένα (ψευδής συναγερμός) αλλαγή στην 1 η, 2 η και 3 η προσπάθεια LC1, LC2 και LC3 φορές αντίστοιχα. Σε πραγματική εφαρμογή, αναμένεται πως οι αποτυχίες LC1-LC3 θα συνέβαιναν κυρίως λόγω κακού αποτυπώματος την πρώτη φορά ή υψηλής θερμοκρασίας σε ωμικά φορτία. Οι σημειωμένες LC# αποτυχίες συνέβησαν κυρίως σε συγκεκριμένα φορτία. Έτσι, το ποσοστό αποτυχίας 2.43% θα ερμηνευόταν περισσότερο ως περισσότερο από 1 στα 40 φορτία δεν έχει αξιόπιστο αποτύπωμα παρά ως όλα τα φορτία αποτυχαίνουν στη φάση αποτυπώματος κατά μέσο όρο κάθε 40 εκκινήσεις. Αλλαγές φορτίων ανιχνεύτηκαν επιτυχημένα CP φορές και δεν ανιχνεύτηκαν CN φορές. Πρέπει να σημειωθεί πως οι αποτυχίες CN συνέβαιναν κυρίως μεταξύ αλλαγών μεταξύ παρόμοιων φορτίων σε τύπο και ισχύ. Οι μετρικές αξιολόγησης των αποτελεσμάτων ορίστηκαν ως εξής: Same Load Fail Rate : Το ποσοστό των συνολικών εκκινήσεων των φορτίων στο οποίο το αποτύπωμα δεν ταυτοποιήθηκε σε καμία από τις τρεις προσπάθειες παρόλο που το φορτίο δεν είχε αλλαχθεί. Ορίζεται ως Changed Load Fail Rate : Το ποσοστό των συνολικών αλλαγών φορτίων που δεν ανιχνεύτηκαν. Ορίζεται ως Same Load Average Attempts before match: Ο μέσος αριθμός των επιπλέον προσπαθειών που χρειάστηκαν πριν ταυτοποιηθεί επιτυχώς το αποτύπωμα. Ορίζεται ως Same Load Fails/Success : Ο λόγος συνολικών αποτυχιών ως προς τις επιτυχίες, ανεξάρτητα εάν οι αποτυχίες είναι τρίτης ευκαιρίας, δεύτερης ή πρώτης. Ορίζεται ως 86

87 Αποτελέσματα Η οπτική επίδραση κατά το αποτύπωμα φαίνεται ορατή στα ωμικά φορτία και σε πολύ λίγους LED λαμπτήρες, ενώ δεν ήταν ορατή στους CFLs και τους περισσότερους LED λαμπτήρες. Η επίδραση γίνεται πιο ενοχλητική σε ωμικά φορτία που έχουν ρυθμιστεί να ανάβουν με σταδιακή αύξηση φωτεινότητας από το μηδέν ως το επιθυμητό επίπεδο σε μερικά ms, καθώς τότε η μισή περίοδος πλήρους τάσης στην αρχή πραγματικά ξεχωρίζει ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΥΠΟ RIPPLE CONTROL Είναι γνωστό πως οι εταιρίες παροχής ηλεκτρισμού στις περισσότερες χώρες, σε ορισμένες στιγμές της ημέρας, εισάγουν στο ηλεκτρικό δίκτυο ημιτονοειδή σήματα μικρού πλάτους για λόγους ελέγχου [24]. Αυτά τα σήματα μπορούν εύκολα να εντοπιστούν και ποικίλουν σε συχνότητα ανάμεσα στα 110 και 1600Hz, έχοντας πλάτος 1-4% του πλάτους της τάσης δικτύου. Έχουν πολλαπλή σημασία, καθώς βρίσκουν εφαρμογή σε διάφορες λειτουργίες, όπως τον έλεγχο φωτισμού οδών, σηματοδότηση αντλιοστασίων ή άλλων ειδικών φορτίων, σηματοδότηση αλλαγής τιμολογίου, ειδοποιήσεις ή κάλεσμα για υποστήριξη, σηματοδότηση φωτισμού κτιρίων, των ρολών καταστημάτων και κλιματιστικών. Ένα παράδειγμα των χαρακτηριστικών αυτών των σημάτων μπορεί να βρεθεί παρακάτω (Πίνακας 4-2, [24], πηγή: VDEW, κύρια γερμανική εταιρία ηλεκτρισμού). Frequency [Hz] Bandspread [%] Amplitude [%] 110 1, ,5...+0,5 1, ,5...+0,5 2,5 183, ,5...+0,5 2, , ,5...+0,5 1, ,5...+0,5 1, , , , ,5 Πίνακας 4-2: Ενδεικτική λίστα σημάτων ripple control 87

88 Αποτελέσματα Αυτό το φαινόμενο διαρκεί μόνο μερικά δευτερόλεπτα, αλλά ανάλογα με τις προδιαγραφές του, μπορεί να προκαλέσει σημαντική παραμόρφωση του ρεύματος που ρέει προς το φορτίο όσο διαρκεί. Αυτό μπορεί να προκαλέσει τρεμόπαιγμα σε κάποιες λάμπες, επειδή το τσιπ δεν έχει πλέον ένα σταθερό σημείο αναφοράς για τη διέλευση της τάσης δικτύου από το μηδέν και η βαθμίδα εξόδου κλείνει όταν γίνεται dimming κάθε φορά σε διαφορετικό σημείο. Ένα παράδειγμα SMPS φορτίου όπως μετρήθηκε με τον παλμογράφο υπό συνθήκες ripple control σε σύγκριση με την κανονική του συμπεριφορά παρουσιάζεται παρακάτω (Σχήμα 4-1). Σχήμα 4-1: Ένα SMPS φορτίο μόνιμα αναμμένο σε κανονικές συνθήκες και υπό συνθήκες ripple control. Αυτή η συμπεριφορά θα μπορούσε να έχει μεγάλο αντίκτυπο στην αξιοπιστία του αποτυπώματος και αυτός ο αντίκτυπος έπρεπε να αναλυθεί ώστε να προσδιοριστεί τι αντίδραση έπρεπε να έχει το σύστημα. Καθώς αυτά τα σήματα συμβαίνουν μόνο μερικά δευτερόλεπτα κάθε μέρα, η πλήρης αναγνώριση φορτίου κάτω από αυτές τις συνθήκες θα πρέπει να αποφευχθεί. Παρόλα αυτά, καθώς ο έλεγχος αποτυπώματος πρέπει να γίνεται σε κάθε εκκίνηση του φορτίου, ο χρήστης πρέπει να είναι σε θέση να 88

89 Αποτελέσματα ανάψει τους λαμπτήρες του ακόμη και υπό ripple control. Για αυτόν τον σκοπό, η αξιοπιστία του αποτυπώματος δοκιμάστηκε κάτω από διαφορετικά σετ πλάτους και συχνότητας (Πίνακας 4-3). Πίνακας 4-3: Τα αποτελέσματα της ακολουθίας αποτυπώματος υπό under ripple control Οι περιπτώσεις ταξινομήθηκαν σε αύξουσα σειρά ως προς τη στήλη Same Load Fails/Success, γιατί ενδιέφεραν οι αποτυχίες ανεξαρτήτως αν συνέβησαν τρίτη ή πρώτη φορά. Τα αποτελέσματα υπό κανονικές συνθήκες μετρήθηκαν ξανά, χρησιμοποιώντας όχι τυχαία αλλά την ίδια σειρά εναλλαγής φορτίων με τις περιπτώσεις ripple control. Πρέπει να σημειωθεί πως οι συχνότητες που χρησιμοποιήθηκαν επιλέχθηκαν σκόπιμα να μην είναι ακέραια πολλαπλάσια των 50Hz, γιατί αλλιώς η παραμόρφωση που εισάγεται από το ripple control θα ήταν ακριβώς η ίδια σε κάθε περίοδο. Αυτό είναι σημαντικό επειδή για ευκολία στο testing, όλα τα αποτυπώματα πάρθηκαν και ελέγχθηκαν υπό ripple control, αντί να εναλλάσσονται κανονικές συνθήκες και ripple control κάθε φορά που ανιχνευόταν τρίτη αποτυχία. Αυτό δεν επηρεάζει την εγκυρότητα των αποτελεσμάτων, επειδή τα σήματα ripple control έχουν πάντα μέσο όρο μηδέν. Το βασικό χαρακτηριστικό που πρέπει να εξεταστεί είναι η παραμόρφωση. Επίσης, μπορεί να παρατηρηθεί πως το πλάτος δοκιμάστηκε μέχρι 6%, πολύ υψηλότερο του 4% που προδιαγράφηκε. Αυτό είναι επειδή στην πράξη υπήρχαν γεωγραφικές περιοχές όπου μετρήθηκαν επίπεδα πλάτους μέχρι και 8% της τάσης δικτύου και το αποτύπωμα εάν δεν μπορεί να χειριστεί τη χειρότερη περίπτωση δεν είναι αξιόπιστο. Θεωρητικά, η συχνότητα μη-ταύτισης αναμένεται να είναι ανάλογη του πλάτους του ripple control. Αυτό θα έκανε το same load fail rate υψηλότερο για μεγαλύτερα πλάτη, ενώ το changed load fail rate θα ήταν χαμηλότερο για υψηλότερα πλάτη, καθώς κάθε αποτύπωμα είναι η υπέρθεση της κυματομορφής ρεύματος και ενός όλο και μεγαλύτερου «θορύβου». Αυτή η υπόθεση σε γενικές γραμμές επιβεβαιώθηκε. Από άποψη συχνοτήτων, οι χαμηλότερες συχνότητες αναμένεται να προκαλέσουν μεγαλύτερη παραμόρφωση, καθώς είναι λιγότερο πιθανό να εξομαλυνθούν από το φίλτρο μέσου όρου. Ωστόσο αυτή η υπόθεση σε γενικές γραμμές δεν επιβεβαιώθηκε, αφού η επίδραση της συχνότητας φαίνεται να ήταν μικρή ως μηδενική. Τα αποτελέσματα κατέγραψαν παραμορφώσεις κυρίως στο σχήμα, αλλά όχι μεγάλες επιπτώσεις στα επίπεδα αποτυπώματος, καθώς όπως αναφέρθηκε, τα σήματα ripple control έχουν μηδενικό μέσο όρο. Τα αποτελέσματα ήταν ανεκτά μέχρι επίπεδα πάτους 4%, αλλά δεν ήταν αποδεκτά για επίπεδα μεγαλύτερα του 6%. Καθώς το πλάτος είναι γνωστό πως μπορεί να ξεπεράσει την ονομαστική μέγιστη τιμή του 4%, η ακολουθία αποτυπώματος θεωρήθηκε γενικά αναξιόπιστη υπό ripple control. Μια ενέργεια που μπορεί να γίνει για να αντιμετωπιστεί αυτό το πρόβλημα, είναι το αποτύπωμα να συγκρίνεται μόνο ως προς τις αλλαγές μεγέθους και όχι σχήματος, εάν συμβαίνει ripple control. Αυτή η πληροφορία είναι διαθέσιμη στο σύστημα από τη μονάδα PLL, η οποία θα χάσει τον συγχρονισμό σε τέτοιες περιπτώσεις. Εάν τα επίπεδα 89

90 Αποτελέσματα αποτυπώματος ταυτοποιούνται, δεν είναι πολύ επικίνδυνο να θεωρηθεί πως ο χρήστης δεν έχει αλλάξει το φορτίο του και να λειτουργήσει όπως το παλιό. Στην επόμενη εκκίνηση, εάν το νέο φορτίο είχε ίδιο επίπεδο αλλά άλλο σχήμα, αυτό θα ανιχνευτεί. Εάν το επίπεδο δεν είναι το ίδιο από την πρώτη στιγμή, το φορτίο μπορεί να ανάψει χωρίς να του επιτρέπεται να γίνει dimming, για να αποφευχθεί η πιθανότητα να χρησιμοποιηθεί αντίστροφη μέθοδος dimming σε κάποιο χωρητικό ή επαγωγικό φορτίο. Και πάλι, μια νέα απενεργοποίηση και ενεργοποίηση του φορτίου θα κάνει ασφαλή έλεγχο κάτω από κανονικές συνθήκες και θα προχωρήσει όπως προδιαγράφηκε ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΚΥΡΙΑΣ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΣ ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ Τα αποτελέσματα εξήχθησαν αυτόματα σαν στατιστικά και η εγκυρότητα κάθε πτυχής του αλγορίθμου έπρεπε να προσδιοριστεί. Στο παράρτημα, μπορεί να βρεθεί μια πλήρης λίστα τριών εκτελέσεων της ακολουθίας ανά φορτίο. Κάποια φορτία δεν μετρήθηκαν γιατί είτε είχαν υποστεί ζημιά κατά τον πειραματισμό είτε αποτελούσαν διπλότυπα άλλων φορτίων. Ωστόσο, η αρχική αρίθμηση διατηρήθηκε και λόγους αναφοράς. Το ρεύμα εισροής, η διαφορά φάσης, η αντίσταση, άεργος ισχύς, φαινόμενη ισχύς και συντελεστής ισχύος υπολογίστηκαν για στατιστικούς σκοπούς ή άλλες χρήσεις και δεν αξιολογούνται. Πρέπει να σημειωθεί πως οι αρνητικές τιμές στο ρεύμα εισροής δεν ήταν μετρήσεις που προκάλεσαν υπερχείλιση, αλλά μετρήσεις μικρότερες από το offset του IADC. Όσο αναφορά τις υπόλοιπες μετρικές προς αξιολόγηση: Η επιλογή της ορθής μεθόδου dimming εξετάζεται σε όλες τις περιπτώσεις Το ποσοστό επιτυχίας ήταν 100%, καθώς τα περισσότερα φορτία επιλέχθηκαν να λειτουργήσουν με trailing edge, εκτός του επαγωγικού μετασχηματιστή (φορτίο #6) που ήταν το μόνο επαγωγικό φορτίο που μετρήθηκε. Οι επιλογές για τα φορτία #31, #32 που ήταν επίσης κατάλληλα για leading edge dimming ήταν έγκυρες κατά τα πειράματα, αλλά τα φορτία αυτά υπέστησαν βλάβη προσπαθώντας να βρεθεί ο σωστός τρόπος παραμετροποίησης της μεθόδου leading edge για τον κώδικα του dsc20. Η απόφαση για καταλληλότητα ή μη για dimming αξιολογείται σαν ποσοστό στο σύνολο των φορτίων Θέτοντας σαν έγκυρες τιμές της μετρικής dimmability τις: 0 (μη dimmable), 1(dimmable), 0.7(dimmable με ατέλειες), 0.5(ελαφρώς dimmable), και έχοντας τον αλγόριθμο να κατηγοριοποιεί τα φορτία μόνο σαν 0 ή 1, το ποσοστό επιτυχίας ήταν 81.9%. Αυτό μπορεί να ρυθμιστεί με αλλαγή των κατωφλίων και να φτάσει μέχρι και το 83.2%, αναλόγως εάν είναι πιο αποδεκτό να κατηγοριοποιηθεί ένα μη-dimmable φορτίο σαν dimmable ή το αντίθετο. Η ανίχνευση δομών τροφοδοσίας (SMPS) ενσωματωμένης στο φορτίο αξιολογείται σαν ποσοστό επιτυχίας στο σύνολο των φορτίων Το ποσοστό επιτυχίας ήταν 100% στα δείγματα που μετρήθηκαν και καθώς το κατώφλι στη μετρική Iratio βελτιστοποιήθηκε πάνω σε αυτά, ήταν εφικτό να μην υπάρχει σφάλμα. Η κατανάλωση ισχύος αξιολογείται με το μέσο απόλυτο σφάλμα της και το μέσο ποσοστό απολύτου σφάλματος στο σύνολο των φορτίων Το σφάλμα ήταν 8.5% το οποίο αντιστοιχεί σε ±1.6W. Αυτό οφείλεται κυρίως λόγω των λαμπτήρων που έχουν ονομαστική ισχύ διαφορετική από την ισχύ 90

91 Αποτελέσματα εκκίνησης, η οποία είναι αυτό που μετράει ο dsc20. Συνήθως αλλά όχι πάντα, η αύξηση θερμοκρασίας σε ένα φορτίο έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη αντίσταση στο αγώγιμο μονοπάτι. Για αυτόν τον λόγο, η κατανάλωση ισχύος στα ίδια φορτία όταν είναι κρύα φαίνεται συνήθως μεγαλύτερη από την ονομαστική. Ακόμη και η στρογγυλοποίηση της ισχύος σε ακέραιο παίζει τον ρόλο της, αφού για παράδειγμα ένας λαμπτήρας των 4.5W που οδηγεί σε μέτρηση 4W εμφανίζεται σαν 11% σφάλμα. Η ανίχνευση DorS φορτίων ελέγχεται σε όλες τις περιπτώσεις Η μόνη περίπτωση που εντοπίστηκε DorS πρωτόκολλο ήταν στο δείγμα #14, το οποίο είναι έγκυρο. Η ανίχνευση DS ελέγχεται σε όλες τις περιπτώσεις Ο αλγόριθμος ελέγχθηκε με σύνδεση μιας άλλης dsc20 πλακέτας και ενός λαμπτήρα με ενσωματωμένο dsc11 και αναγνωρίστηκαν επιτυχώς σαν DS συσκευές. Δεν υπήρξαν εσφαλμένοι συναγερμοί σε άλλα φορτία. Οι καμπύλες dimming συγκρίνονται με μετρήσεις που έγιναν με λουξόμετρο Αυτές οι μετρήσεις έχουν παρουσιαστεί ήδη στο αντίστοιχο τμήμα της ανάλυσης. Η προσέγγιση των καμπυλών dimming φαίνεται πολύ κοντά στην πραγματική καμπύλη, ιδιαίτερα για φορτία με LEDs και CFLs, που ενδιαφέρουν και περισσότερο προς διόρθωση. Αποτελεί έκπληξη πως οι ωμικές λάμπες αλογόνου είναι αυτές με τη μεγαλύτερη απόκλιση, αλλά αυτές μπορούν ίσως να εντοπιστούν και να χρησιμοποιηθεί μια default ιδανική καμπύλη στην περίπτωση τους. Η χωρητικότητα εισόδου συγκρίνεται με τα αποτελέσματα από Surge tests σε όλους τους λαμπτήρες που ενδιαφέρουν Καθώς αυτή η μετρική είναι ενδιαφέρουσα μόνο λόγω του επικίνδυνου αποτελέσματος που μπορεί να έχει ένα καρφί τάσης στο δίκτυο, ενώ είναι συνδεδεμένο χωρητικό φορτίο, πραγματοποιήθηκε surge test των 500V επιπλέον στην κορυφή της τάσης δικτύου. Αυτό προσομοιώνει την περίπτωση μιας ηλεκτρικής εκκένωσης προς το δίκτυο. Γίνεται αναπαραγωγή μόνο του σεναρίου κατά το οποίο το φορτίο είναι ήδη αναμμένο όταν συμβαίνει το καρφί τάσης. Πέρα από αυτό, υπάρχει η πιθανότητα η βαθμίδα εξόδου να είναι κλειστή, αλλά τα FETs να φορτιστούν με τέτοιο τρόπο που να ανοίξουν. Σε τέτοια περίπτωση η υψηλή τάση ανάμεσα σε πηγή και εκροή σε συνδυασμό με το μεγάλο ρεύμα που φορτίζει το χωρητικό φορτίο θα κατέστρεφε τα MOSFETs σε ελάχιστο χρόνο. Παρουσιάζονται ενδεικτικά γραφήματα (Σχήμα 4-2, Σχήμα 4-3) που μετρήθηκαν κατά το Surge test (Η τάση με κόκκινο είναι υπό κλίμακα), ένας πίνακας (Πίνακας 4-4) του μετρημένου μέγιστου ρεύματος κατά τα πειράματα σε κάθε φορτίο και η σχέση αυτού με τη μετρική χωρητικότητα εισόδου που μετρήθηκε από τον αλγόριθμο (Σχήμα 4-4). Παρόλο που ο αλγόριθμος ξεχώρισε το πιο επικίνδυνο φορτίο, η συσχέτιση μοιάζει ασθενής ή τυχαία. 91

92 Αποτελέσματα Σχήμα 4-2: 500V Surge test σε μεγέθυνση Σχήμα 4-3: 500V Surge test χωρίς zoom 92

93 Αποτελέσματα Πίνακας 4-4: Τα ρεύματα του πειράματος Surge συγκρινόμενα με τη μετρική 'Cin' του dsc20 93

94 Αποτελέσματα Σχήμα 4-4: Γραφική αναπαράσταση της συσχέτισης της μετρικής 'Cin' του αλγορίθμου και του μέγιστου ρεύματος στα Surge tests. 94

95 Αποτελέσματα 4.4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΕΛΕΓΧΟΥ FLICKERING Το flickering είναι μια ποιοτική μετρική και για αυτό η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων αυτού του αντικειμένου δεν μπορεί να είναι απόλυτη. Για να δοθεί μια εκτίμηση της εγκυρότητας της μεθόδου που εφαρμόστηκε, δοκιμάστηκαν διάφορα φορτία, υπό ripple control και όχι, σε διάφορες γωνίες dimming. Για κάθε δείγμα μετρήθηκε η ισχύς αμέσως μετά την ανάφλεξη, μαζί με την ποσότητα, για κάθε δευτερόλεπτο μέχρι και 7 δευτερόλεπτα μετά την ανάφλεξη, σαν μετρική που υποδεικνύει πόσο διακυμαίνεται η ισχύς. Ο μέσος όρος αυτής της ποσότητας απεικονίζεται στον ένα άξονα (Σχήμα 4-5), έχοντας στον άλλο την ισχύ που μετρήθηκε υπό σταθερές συνθήκες. Κάθε περίπτωση σημάνθηκε σαν flickering slightly, flickering intensively και not flickering με αντίστοιχα χρώματα. Έπειτα, ένας απλός κανόνας διαχωρισμού ορίστηκε και τα δείγματα διαχωρίστηκαν βάσει αυτού σε flickering ή not flickering. Κομμάτι των μετρήσεων είναι διαθέσιμο και σε αριθμητική μορφή (Πίνακας 4-5). Πίνακας 4-5: Βελτιστοποίηση και αξιολόγηση του ελέγχου flickering 95