Poslední desetiletí tohoto století se kromě mnoha změn v politickém rozdělení v Evropě vyznačuje i prudkým rozvojem nových technologií, zejména v elektrotechnickém průmyslu a komunikacích. Jednou z nich je i vývoj nové aplikace obecně známého fyzikálního jevu – elektroluminiscence.
Počátkem devadesátých let se chemikům a vývojovým pracovníkům podařilo uvést na světový trh zcela nový prvek využívající principu elektroluminiscence – elektroluminscenční fólii. Jednou z prvních aplikací této fólie bylo podsvětlení ciferníku náramkových hodinek firmy Timex, známých pod názvem Indiglo (název Indiglo je vlastnictvím Indiglo Corp., USA). Toto první představení starého principu v novém kabátě bylo impulsem k intenzivnímu vývoji. Již před několika lety se začaly objevovat další aplikace elektroluminiscenčních fólií v mnoha oborech, a to především v USA a Japonsku. Obor se začíná prudce rozvíjet, protože možnosti užití jsou velmi rozsáhlé. Lze předpokládat, že výroba elektroluminiscenčních fólií a jejich aplikací bude v příštích letech jedním z nejvíce a nejrychleji se rozvíjejících oborů elektrotechnického průmyslu.
Co vlastně je elektroluminiscenční fólie a na jakém principu funguje? Elektroluminiscenční fólii tvoří zapouzdřené mikročástice ZnS – sirníku zinku, které jsou umístěny mezi dvěma elektrodami oddělenými dielektrikem, z nichž jedna je vždy transparentní. Po přivedení střídavého napětí na elektrody se mezi elektrodami generuje proměnlivé elektrické pole, které způsobí, že mikročástice začnou emitovat světlo. Tyto práškové směsi jsou navrženy tak, aby emitovaly světlo na určité vlnové délce – zpravidla je to 350 až 450 nm. Barvu lze definovat poměrem částic při výrobě, kdy jsou do směsi přidávány i jiné chemické prvky. Pro dosažení nejvyšší účinnosti emise světla se pečlivě volí velikost těchto částic.
Obr.1. Konstrukce elektroluminiscenční fólie.
Směsi těchto materiálů, dielektrika a vodivých elektrod jsou dodávány v podobě past, které se nanášejí na základní materiál, zpravidla fólie PeS, sítotiskem. Na obr.1. je graficky znázorněna konstrukce elektroluminiscenční fólie. U většiny elektroluminiscenčních fólií se používá jako napájecí zdroj invertor.
Invertor je měnič stejnosměrného napětí na střídavé, který generuje potřebné napětí 50 až 200 V o frekvenci 50 až 1 000 Hz pro napájení elektroluminiscenční fólie. Typicky se používá střídavé napětí 80 až 120 V a kmitočet 400 Hz. Elektroluminiscenční fólie pracují spolehlivě v teplotním rozmezí – 30 °C až +85 °C a vyznačují se velmi nízkou spotřebou energie (např. fólie rozměru A4 má spotřebu přibližně 2 W). Jas je udáván v rozmezí 10 až 100 cd/m2.
Invertory jsou konstruovány pro vstupní napětí od 0,9 V do 24 V DC. Typicky se používají napětí 1,5 V, 3 V, 5 V, 9 V, 12 V a 24 V. Invertory pro malá vstupní napětí jsou většinou realizovány pomocí speciálních obvodů CMOS v pouzdrech SMD. Pro vyšší vstupní napětí a větší výkony jsou realizovány klasickou technologií.
Oblasti použití elektroluminiscenčních fólií jsou velmi široké, např. pro:
- podsvícení displejů LCD všech druhů a velikostí
- podsvícení displejů mobilních telefonů, pagerů, GPS atd.
- prosvětlení membránových klávesnic a ovládačů k domácí elektronice.
V ostatních oborech se s nimi lze setkat např. v těchto aplikacích:
- světelné piktogramy a označení únikových cest v budovách
- orientační osvětlení
- osvětlení obrysů budov
- osvětlení domovních zvonků
- prosvícení reklamních ploch
- světelná reklama, včetně efektů, jako je např. postupné rozsvěcování částí, blikání aj.
- efektní světelné scény v divadle, filmu, výstavnictví
- signalizace v řídicích centrech
- bezpečnostní světelné značení
- podsvícení leteckých přístrojů
- osvětlení palubních desek, ovládacích prvků a vnitřních prostorů automobilů atd.
Výhody elektroluminiscenčních fólií :
- velmi malá hmotnost (fólie jsou 0,2 až 0,5 mm silné)
- velká pružnost
- velmi malá spotřeba elektrické energie
- téměř nulový vývin tepla
- odolnost proti vibracím a nárazům
- rovnoměrné vyzařování světla po celé ploše
Jednou z významných vlastností elektroluminiscenčních fólií je to, že jejich svit je díky vyzařované vlnové délce ve srovnání s jinými zdroji světla velmi dobře viditelný za mlhy a kouře. Z tohoto důvodu je jejich použití pro bezpečnostní značení velmi významné.
Elektroluminiscenční fólie jsou standardně dodávány s barvou světla modrozelenou, žlutozelenou nebo bílou. Na bíle svítící fólie lze podle přání velmi snadno aplikovat jakoukoliv jinou transparentní barvu, včetně plnobarevných potisků v CMYK.
Elektroluminiscenční fólie se vyrábějí v různých rozměrech od malých ploch, např. pro displeje v mobilních telefonech a ciferníky hodinek, až po svítící pruhy v šířkách až 60 cm a délkách několika stovek metrů. Samozřejmě lze tyto plochy skládat do větších rozměrů. Ale zde platí: čím větší plocha, tím podstatně vyšší pořizovací náklady.
Pro aplikace elektroluminiscenčních fólií v elektrotechnice, kde jsou převážně používány pro podsvětlení displejů, klávesnic a signalizaci, nejsou používány velké plochy, a proto i cenová úroveň je pro všechny uživatele velmi příznivá.
V České republice zahájila vlastní výrobu elektroluminiscenčních fólií firma Printel s. r. o., která dodává na náš trh tyto fólie včetně zdrojů. Ve výrobním programu se firma orientuje především na průmyslové aplikace a poskytuje i poradenskou a technickou pomoc jednotlivým zákazníkům při řešení konkrétních aplikací elektroluminiscenčních fólií. Současně firma Printel s. r. o. vyvíjí své vlastní nové aplikace elektroluminiscenčních fólií. Pracovníci firmy rádi poskytnou informace o možnostech technického řešení aplikací.
Věřím, že rozvoj aplikací elektroluminiscenčních fólií v ČR bude stejně razantní, jako je tomu ve vyspělých státech, a to i pro to, že je u nás zvládnuta kompletní technologie výroby těchto fólií.
Jak již bylo uvedeno dříve, elektroluminiscenční fólie potřebuje střídavé napětí kolem 120V, při odběru maximálně 0.5mA/cm2. Dále uvádíme dvě možná zapojení měničů. To první využívá součástky ze šuplíku, ale jeho částečnou nevýhodou je odběr proudu. Druhé zapojení je mnohem jednodušší, s nižší spotřebou, ale využívá speciální integrovaný obvod.
Zapojení první
Schéma zapojení je na obr.2. Základem je generátor signálu o kmitočtu přibližně 800Hz s IC1 (MC1455 od ON Semiconductor) což je notoricky známý časovač 555. Kmitočet a střída jsou dány kombinací R1, R2 a C1.
Kmitočet je určen vztahem:
f = 1.44/(R2+2R1)C (1)
Střída je dána:
DC = R1/(R2+2R1) (2)
Obr.2. Schéma zapojení měniče pro elektroluminiscenční fólii.
Výstup z vývodu 3 je veden do komparátoru IC2, který se překlápí dle poloviny napájecího napětí z děliče R2, R3. Toto komparační napětí je přivedeno jednou na invertující vstup a podruhé na neinvertující vstup, takže na výstupech operačních zesilovačů dostaneme vždy plné napájecí napětí v jedné a v druhé polaritě. IC2 je typu TCA0372 od firmy ON Semiconductor, případně typ L272, což je operační zesilovač určený k buzení indukční zátěže a s výstupním proudem 1A. C7 odděluje stejnosměrnou složku během blikání (je-li generátor s IC1 blokován).
Na výstup může být proto přímo připojeno sekundární vinutí běžného transformátoru 220V/9V. Na primární straně je poté k dispozici napětí k buzení elektroluminiscenční fólie. Určitě by se dal lépe použít transformátor na feritovém hrníčku, který by bylo ovšem potřeba navinout. Starší síťový transformátor pak má každý doma v šuplíku a menší účinnost není na závadu.
Důležitá je i volba transformátoru v závislosti na plánovaném počtu paralelně připojených hvězdiček. Jedna hvězdička má tak spotřebu pod 3mA, což je při 120V výkon cca 0.3W. Vzhledem k menší účinnosti síťového transformátoru je vhodné použít typ cca 1VA. S větším počtem hvezdiček se zvětšuje i odběr a je proto nutné zvolit i výkonnější transformátor. Hvězdičky je potřeba zapojovat paralelně k sobě.
Diody D1 a D2 chrání operační zesilovač proti záporným napěťovým špičkám vznikajících při spínání indukční zátěže. Proti kladným napěťovým špičkám je operační zesilovač chráněn uvnitř, viz obr.3.
Obr.3. Vnitřní zapojení operačního zesilovače TCA0372.
IC3 je zapojen podobně jako IC1 a tvoří generátor o kmitočtu cca 1Hz. Výstup ovládá resetovací pin IC1 a moduluje tak signál o kmitočtu 800Hz. Výsledkem je blikání hvězdičky v rytmu daném R5, R6 a C3. Pro kmitočet a střídu platí opět výše popsané vztahy.
C5 a C6 pak zajišťují blokování napájení, napěťový regulátor IC4 (LM317 od ON Semiconductor) použijeme v případě použití nestabilizovaného síťového zdroje.
I když je zapojení galvanicky odděleno od sítě, je celý zdroj poměrně tvrdý. Musí být schopen dát proud přibližně 3mA pro jednu hvězdičku při napětí 120V. Pamatujte prosím na bezpečnost a kvalitní izolaci.
Pro čtenáře může být zajímavé, že všechny výše popsané integrované obvody se vyrábějí v Tesle Sezam v Rožnově pod Radhoštěm.
Pro měnič byla navržena jednostranná deska plošných spojů s jednou drátovou propojkou. Na zkontrolovanou desku plošných spojů osadíme nejprve IC1 se součástkami kolem a pin číslo 4 připojíme na kladné napájení. Dle možnosti zkontrolujeme kmitočet výstupního signálu a přesvědčíme se, že nepřesahuje hodnotu přibližně 1kHz. Pokud nemáme čítač nebo osciloskop, alespoň překontrolujeme hodnoty R1, R2 a C1.
Obr.4. Výkres plošných spojů měniče.
Obr.5. Osazovací výkres.
Poté připojíme i IC2 s ostatními součástkami (mimo IC3) a sekundární vinutí transformátoru. Střídavým voltmetrem změříme výstupní napětí na primárním vinutí. To by nemělo překročit hodnotu přibližně 150V, s vyšším napětím sice svítí fólie více, ale zkracuje se její životnost. Výstupní napětí se dá regulovat pomocí IC4.
Když je vše v pořádku a fólie svítí, odstraníme spojku na pinu 4 IC1 a připojíme i IC3. Hvězdička by teď měla blikat. Pokud se nám líbí trvalý svit, nemusíme IC3 zapojovat.
V prototypu jsem použil transformátor 220V/9V, 1.2VA a při vstupním napětí 9V bylo výstupní napětí kolem 150V. Při 7V na vstupu měniče bylo na výstupu měniče 120V, které jsem použil pro napájení hvězdiček.
Zapojení druhé
Druhý příklad buzení elektroluminiscenční fólie je na obr.6. Využívá speciálního obvodu firmy ON Semiconductor typu MC33441. Mezi jeho základní rysy patří:
- vstupní napětí 1.8 – 3.5V
- typické výstupní napětí 140Vpp
- klidový proud 10nA
- interní oscilátor s externím nastavovacím odporem
- minimální počet externích součástek
- malé pouzdro TSSOP-8
Obr.6. Typické zapojení obvodu MC33441.
Typické aplikace potom jsou:
- pagery, mobilní telefony, přenosné přehrávače CD
- databanky, kalkulačky
Blokové zapojení obvodu je na obr.7. Obvod obsahuje oscilátor, jehož kmitočet lze měnit externím rezistorem v rozsahu 100 až 250kHz. Z něj jsou potom odvozeny signály pro spínání cívky (coil driver) a řízení budicího můstku (H-bridge). Když je interní spínač sepnut, proud teče přes cívku do země. Po rozepnutí spínače je nahromaděná energie odvedena přes interní diodu do kondenzátoru tvořeného fólií. Obvod umožuje typický proud cívkou 70mA, maximální hodnota je 150mA.
Obr.7. Blokové schéma obvodu MC33441.
Kmitočet spínání cívky je určen vztahem: - Fc = Fosc/4
Budící kmitočet fólie je: - Ff = Fosc/384
Díky své jednoduchosti a možnosti „standby“ je zapojení ideální do bateriově napájených přístrojů či do přístrojů, kde je nedostatek místa. Obvod by měl být dostupný přes místní dodavatele (GES ELECTRONIC, MACRO WEIL), případě by se mělo dát sehnat menší množství přímo přes zahraniční dodavatele (SPOERLE, AVNET). V době internetu a bezhotovostní platby není problém zaplatit přímo od stolu kreditní kartou.
Zapojení třetí, Vánoce skončily
Každé Vánoce jednou skončí a vyvstane známá otázka „Kam s ním?“. Hvězdičky mohou i s budičem skončit na rok někde na půdě či ve sklepě. Jednoduchou změnou zapojení lze budič předělat na plašič hlodavců či jiného nepřítele zahrádkářů.
Stačí změnou R1, R2 a C1 posunout kmitočet do oblasti 5-10kHz, dle plašeného zvířectva, viz. vzorce 1) a 2). Místo transformátoru zapojíme reproduktor (pozor na maximální proud 1A) nebo lépe velký piezoelement. Nejlépe se osvědčily typy KPS100 o průměru 4cm, dva zapojené paralelně.
Seznam součástek pro obr.2.
C1 33n
C2,4 10n
C3 1M/16V
C5 100M/16V
C6 100n
C7 100M/25VR1,3,4 22k
R2 2k2
R5,6 330k
R7 270
R8 dle požadovaného výstupního napětíD1,2 křemíková univerzální dioda
IC1,3 MC1455P, ON Semiconductor (NE555)
IC2 TCA0372P, ON Semiconductor (L272)
IC4 LM317T, ON SemiconductorTR1 transformátor 220V/9V viz text
Autoři : Radek Václavík OK2XDX, ON Semiconductor
Milan Caha, OK2AP, Printel s.r.o
Milan Caha, OK2AP, Printel s.r.o
Komentáře
RE: Počátkem devadesátých let se chemikům atd.
Mno. Na zcela stejném principu fungovaly skleněné svítící tabulky, které se prodávaly již v sedmdesátých letech minulého století. Byly o velikosti pohlednice, zasazeny v plastovém rámečku, sklo potisknuté obrázkem (dětskými motivy, tzn. rybičky, autíčko atd.), napájené bez měniče přímo z el. sítě. I já ji měl stát u postýlky na peřiňáku. ";oDDD