RU2655657C1 - Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями - Google Patents
Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями Download PDFInfo
- Publication number
- RU2655657C1 RU2655657C1 RU2017125918A RU2017125918A RU2655657C1 RU 2655657 C1 RU2655657 C1 RU 2655657C1 RU 2017125918 A RU2017125918 A RU 2017125918A RU 2017125918 A RU2017125918 A RU 2017125918A RU 2655657 C1 RU2655657 C1 RU 2655657C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- unit
- voltage
- ecm
- electrochromic
- eclm
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 239000010409 thin film Substances 0.000 title claims abstract description 15
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 31
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 claims abstract description 12
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000004907 flux Effects 0.000 abstract 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 230000008859 change Effects 0.000 description 10
- 230000006870 function Effects 0.000 description 10
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 9
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 9
- 238000010186 staining Methods 0.000 description 5
- 238000004061 bleaching Methods 0.000 description 4
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 4
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 3
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000010405 reoxidation reaction Methods 0.000 description 3
- 238000001115 scanning electrochemical microscopy Methods 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000004043 dyeing Methods 0.000 description 2
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 2
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000004984 smart glass Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N tungsten trioxide Chemical compound O=[W](=O)=O ZNOKGRXACCSDPY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XHZPRMZZQOIPDS-UHFFFAOYSA-N 2-Methyl-2-[(1-oxo-2-propenyl)amino]-1-propanesulfonic acid Chemical compound OS(=O)(=O)CC(C)(C)NC(=O)C=C XHZPRMZZQOIPDS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N Fluorine Chemical compound FF PXGOKWXKJXAPGV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 239000010408 film Substances 0.000 description 1
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229920000767 polyaniline Polymers 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour
- G02F1/15—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on an electrochromic effect
- G02F1/163—Operation of electrochromic cells, e.g. electrodeposition cells; Circuit arrangements therefor
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Nonlinear Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Electrochromic Elements, Electrophoresis, Or Variable Reflection Or Absorption Elements (AREA)
Abstract
Изобретение относится к электронным устройствам для управления электрохромными светомодуляторами (ЭХСМ), предназначенными для регулирования потоков световой и лучистой тепловой энергии. Способ управления ЭХСМ заключается в том, что в качестве необходимого и достаточного критерия для выработки регулирующего воздействия используется корреляция оптического пропускания ЭХСМ с напряжением, возникающим на ЭХСМ в результате его заряда постоянным электрическим током или его разряда путем короткого замыкания анода и катода. Контроллер, реализующий этот способ, предназначен для управления ЭХСМ на основе тонкопленочных электрохромных и заряд-буферных слоев, разделенных слоем оптически нейтрального электролита. Контроллер содержит шесть функциональных блоков: блок определения необходимого рабочего напряжения (Up) на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, блок определения диапазона безопасных напряжений (Uб) на ЭХСМ в зависимости от температуры, первый блок компаратора, второй блок компаратора, блок заряда/разряда ЭХСМ, блок реле. При этом диапазон безопасных значений напряжения на ЭХСМ определяется разностью потенциалов электрохимических реакций, протекающих на катоде и аноде светомодулятора при текущей температуре ЭХСМ. Технический результат заявленного изобретения - снижение сложности контроллера для управления ЭХСМ с целью повышения надежности его работы и точности регулирующего воздействия на основе более адекватной оценки состояния ЭХСМ в процессе функционирования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Description
Изобретение относится к электронным устройствам для управления электрохромными светомодуляторами (ЭХСМ), предназначенными для регулирования потоков световой и лучистой тепловой энергии.
ЭХСМ, или так называемые электрохромные «умные окна», обладают рядом неоспоримых преимуществ перед другими устройствами для контролируемого изменения светопропускания: независимость оптического контраста от угла наблюдения; энергонезависимость состояния максимального светопропускания; сохранение прозрачности окна при уменьшении его светопропускания; наличие «памяти» состояния и др. Среди ЭХСМ выделяются два основных типа: светомодуляторы с тонкопленочными электрохромными слоями и устройства с объемно-распределенными электрохромными компонентами. В первом случае электрохромные слои (анодные и/или катодные) наносятся непосредственно на оптически прозрачные электроды, благодаря чему такие устройства демонстрируют более высокое быстродействие (особенно в обратном процессе обесцвечивания) и более долгую память. При этом слой электролита в устройствах такого типа обычно инертен (т.е., выполняет только функцию переноса тока и разделения анодного и катодного пространств). Одним из вариантов ЭХСМ с тонкопленочными слоями является устройство с одним электрохромным и одним заряд-буферным слоем, который в результате протекания тока не изменяет своего светопропускания в рабочем оптическом диапазоне. В ЭХСМ второго типа электрохромные компоненты, чаще только одного типа (анодные или катодные) входят в состав электролита. При этом быстродействие таких устройств ограничено скоростью диффузии электрохромной компоненты из объема электролита к электроду или от электрода в объем при обесцвечивании. ЭХСМ с тонкопленочными слоями лишены этого недостатка, поскольку электрохромные компоненты с электрода в объем не уходят. Это же обстоятельство позволяет быстро увеличивать светопропускание ЭХСМ или полностью его обесцвечивать до исходного состояния путем короткого замыкания его электродов, благодаря чему ЭХСМ с тонкопленочными слоями можно легко перевести в состояние максимального светопропускания при аварийном отключении электропитания.
Несмотря на указанное преимущество, ЭХСМ с тонкопленочными электрохромными слоями обладают существенным недостатком: пропускание через такое устройство электрического заряда, превосходящего окислительно-восстановительную (фарадеевскую) псевдоемкость анодного (катодного) электрохромного (или заряд-буферного) слоя приводит к его переокислению (перевосстановлению), обычно сопровождающегося деградацией (растворение, разложение в результате побочных электрохимических реакций и т.п.). Подобная электрохимическая деградация также возможна в устройствах, как первого, так и второго типа при работе ЭХСМ большой площади. Это происходит потому, что прозрачные проводящие покрытия, используемые в ЭХСМ в качестве электродов, обладают заметным сопротивлением. В результате возникает градиент электрохимического потенциала по площади ЭХСМ, проводящий к градиенту оптического пропускания. Для устранения градиента обычно повышают напряжение, что приводит к тому, что электрохимический потенциал на краях ЭХСМ становится выше безопасного предела, определяемого разностью потенциалов реакций электроокрашивания, что и приводит к ускоренной деградации электрохромной компоненты на краях ЭХСМ.
Еще одним обстоятельством, осложняющим управление ЭХСМ на основе тонкопленочных слоев, является то, что подавляющее большинство применяемых в них материалов существенно изменяют свою электропроводность в процессе окрашивания/обесцвечивания.
Известны три основных способа управления ЭХСМ с тонкопленочными электрохромными слоями, позволяющие минимизировать влияние вышеперечисленных факторов, осложняющих функционирование этих устройств. Эти способы в основном основаны на использовании постоянного тока для изменения светопропускания ЭХСМ и основной проблемой становится определение длительности пропускания тока, необходимой для достижения заданного уровня светопропускания в течение возможно более короткого периода времени при сохранении безопасного (не приводящего к деградации) уровня напряжения на ЭХСМ.
Первым способом, является использование датчика потенциала или напряжения. Например, в заявке WO 2016115166 описан контроллер, который пропускает через электрохромное устройство постоянный ток и определяет заряд, прошедший через устройство, как функцию времени и величины тока, протекающего через устройство. Этот метод предполагает прекращение пропускания постоянного тока через устройство в ответ на сигнал отдельной цепи датчика напряжения, контролирующего безопасный предел напряжения на устройстве. Таким образом, контроллер определяет заряд, который необходимо сообщить электрохромному устройству для достижения необходимого уровня пропускания и предотвращения деградации из-за переокисления (перевосстановления). Датчик потенциала реализуется с использованием третьего электрода - электрода сравнения, как это описано, например, в патенте US 4535329.
Вторым способом определения количества электричества, которое необходимо для достижения требуемого уровня светопропускания, но не приводит к возникновению на электрохромном устройстве напряжений, приводящих к его деградации, является расчет заряда путем интегрирования тока по времени. Например, в патенте US 4512637 количество электричества (заряд), который сообщается электрохромному устройству или удаляется из него при протекании постоянного тока в пряном или обратном направлении, определяется с помощью цифрового счетчика импульсов прямого/обратного таймера.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ (и устройство) для переключения электрохромных устройств большой площади, заявленный в патенте РФ RU 2492516, предполагающий непрерывное измерение протекающего тока и напряжения на электрохромном устройстве и сравнение его с безопасным пределом. Напряжение ступенчато изменяется в зависимости от тока таким образом, чтобы напряжение, генерируемое между электродными слоями, оставалось в предварительно заданных, зависящих от температуры, безопасных пределах окислительно-восстановительного потенциала, и при этом ток через элемент ограничен предварительно заданными, зависящими от температуры, пределами, причем приложенное напряжение может быть увеличено, только в том случае, если ток через элемент меньше максимального. В данном случае для определения безопасного напряжения на электрохромном устройстве необходим непрерывный расчет его сопротивления, на основании чего непрерывно рассчитывается перенапряжение относительно значения окислительно-восстановительного потенциала, которое необходимо для компенсации омических потерь в слоях, составляющих устройство.
Недостатком всех вышеперечисленных способов является необходимость использования дополнительных цепей, которые измеряют ток, напряжение и/или длительность пропускания тока. Схемы контроллеров, реализующие эти способы, достаточно сложны и часто требуют применения цифровых электронных компонентов и даже модулей памяти, содержащих калибровочные данные. Это связано с тем, что при разработке таких контроллеров ЭХСМ чаще рассматривается как резистивный и/или емкостной элемент. Применение сложных цифровых схем для управления аналоговым устройством, которым является ЭХСМ, снижает надежность работы контроллера и точность регулирующего воздействия, что, в свою очередь снижает рабочий ресурс ЭХСМ.
Техническим результатом заявленного изобретения является снижение сложности контроллера для управления ЭХСМ с целью повышения надежности его работы и точности регулирующего воздействия на основе более адекватной оценки состояния ЭХСМ в процессе функционирования.
Технический результат достигается тем, что использован способ управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями, разделенными слоем оптически-нейтрального электролита, отличающийся тем, что в качестве критерия необходимости выработки регулирующего воздействия используют напряжение, возникающее на электрохромном светомодуляторе в результате его принудительного заряда/разряда электрическим током или саморазряда, коррелирующее с оптическим пропусканием светомодулятора. Необходимость и направление регулирующего воздействия определяют путем сравнения напряжения на электрохромном светомодуляторе с необходимым рабочим напряжением, определяемым на основании измерения освещенности и/или задаваемом пользователем. Длительность регулирующего воздействия ограничивают моментом совпадения необходимого рабочего напряжения и напряжения на электрохромном светомодуляторе. отличается тем, что регулирующим воздействием для увеличения напряжения на электрохромном светомодуляторе, является пропускание постоянного тока в прямом направлении от анода к катоду, а регулирующим воздействием для уменьшения напряжения -кратковременное или постоянное короткое замыкание анода и катода. Величину плотности постоянного тока выбирают в зависимости от площади подключенного электрохромного светомодулятора в диапазоне от 0 до 500 мА/см2. Диапазон значений необходимого рабочего напряжения ограничивают разностью стандартных потенциалов электрохимических реакций, протекающих в электрохромных (анодном и/или катодном) или заряд-буферном слоях при текущей температуре светомодулятора. При аварийном отключении питания электрохромный светомодулятор возвращают в состояние максимального светопропускания путем короткого замыкания анода и катода.
Контроллер для управления электрохромными светомодуляторами (ЭХСМ) с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями, содержащий блок определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, блок определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, первый блок компаратора, выполненный с функцией проверки соответствия необходимого рабочего напряжения, выработанного блоком определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, диапазону безопасных напряжений, выработанному блоком определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, и ограничивающий его верхним пределом диапазона безопасных напряжений, второй блок компаратора, выполненный с функцией сравнения безопасного необходимого рабочего напряжения, выработанного первым блоком компаратора, с текущим напряжением на ЭХСМ и определения направления регулирующего воздействия (повышение или понижение напряжения на ЭХСМ), блок заряда/разряда ЭХСМ, выполненный с функцией заряда ЭХСМ постоянным током или разряда ЭХСМ путем кратковременного короткого замыкания анода и катода ЭХСМ в зависимости от направления регулирующего воздействия, блок реле, выполненный с функцией обеспечения постоянного короткого замыкания анода и катода при аварийном отключении питания с целью приведения ЭХСМ в состояние максимального пропускания, при этом в первый вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают данные об измерение освещенности, во второй вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают регулировки пользователя, во вход блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры поступают данные об измеренной температуре, первый и второй входы первого блока компаратора соединены с выходами блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем и блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, соответственно, выход первого блока компаратора соединен с первым входом второго блока компаратора, во второй вход второго блока компаратора поступает текущее напряжение на ЭХСМ, выход второго блока компаратора соединен со входом блока заряда/разряда ЭХСМ, двухполярный выход блока заряда/разряда ЭХСМ соединен с анодом и катодом ЭХСМ, во вход блока реле подключено напряжение питания, двухполярный выход блока реле соединен с анодом и катодом ЭХСМ.
Сущность и признаки заявленного изобретения в дальнейшем поясняются чертежами, где показано следующее:
на фигуре 1 - Блок-схема контроллера, где:
1 - блок определения необходимого рабочего напряжения (Up) на ЭХСМ;
2 - блок определения диапазона безопасных напряжений (Uб);
3 - первый блок компаратора, выполненный с функцией проверки соответствия необходимого рабочего напряжения (Up), диапазону безопасных напряжений (Uб);
4 - второй блок компаратора, выполненный с функцией сравнения безопасного необходимого рабочего напряжения (Uбр), с текущим напряжением на ЭХСМ (UЭХСМ);
5 - блок заряда/разряда ЭХСМ;
6 - блок реле;
7 - ЭХСМ.
на фигуре 2 - Схема подключения ЭХСМ к источнику тока;
на фигуре 3 - Алгоритм работы контроллера:
на фигуре 4 - Изменение оптического пропускания ЭХСМ на длине волны 550 нм (а), тока и напряжения на ЭХСМ (б) во времени при периодической засветке датчика освещенности светодиодом, где:
- максимальный ток заряда ЭХСМ - 20 мА;
- площадь ЭХСМ - 25 см2.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет избежать необходимости применения в конструкции ЭХСМ дополнительного электрода для измерения напряжения на электрохромном слое, в процессе электроиндуцированного окрашивания/обесцвечивания ЭХСМ исключить необходимость интегрирования тока для вычисления количества электричества, прошедшего через ЭХСМ, исключить необходимость вычисления сопротивления ЭХСМ для определения безопасного перенапряжения, исключить необходимость регулирования величины тока и позволяет значительно упростить решение проблемы управления ЭХСМ большой площади (снизить градиент светопропускания).
В предлагаемом способе ЭХСМ с тонкопленочными электрохромными слоями рассматривается как аккумулятор или суперконденсатор, обладающий фарадеевской псевдоемкостью. При пропускании через такое устройство постоянного тока в течение определенного времени (т.е., инжекции в него заряда) в результате электрохимических реакций (подчиняющихся второму закону Фарадея), протекающих на катоде и аноде, происходит запасание этого заряда (зарядка ЭХСМ) и на устройстве возникает напряжение, которое сохраняется при размыкании цепи. Величина этого напряжения также пропорциональна и степени изменения оптического поглощения ЭХСМ, поскольку электрохимический потенциал, например, катодной реакции электроокрашивания
зависит от соотношения концентраций СОх окисленной (слабоокрашенной) и CRed восстановленной (окрашенной) форм электрохромного вещества:
где 
- равновесный потенциал катодной электрохимической реакции окрашивания; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура; F - число Фарадея; n - число электронов, участвующих в данной электрохимической реакции.
Аналогичным образом от соотношения концентраций восстановленной (слабоокрашенной) и окисленной (окрашенной) форм анодного электрохромного вещества зависит и потенциал анодной реакции электроокрашивания.
Напряжение, возникающее на ЭХСМ при пропускании постоянного тока в течение определенного времени, равно разности электрохимических потенциалов катодной и анодной электрохромных реакций при достигнутой при этом степени превращения 
соответствующих слабоокрашенных форм в окрашенные. Следует учитывать, что важным ограничением для работы ЭХСМ с тонкопленочными электрохромным слоями является необходимость обеспечить близость значений фарадеевских псевдоемкостей анодных и катодных электрохромных и/или заряд-буферных слоев (т.е. числа редокс-активных центров (или молекул) в анодном и катодном слоях).
Напряжение, возникающее на обкладках ЭХСМ при практически полном превращении слабоокрашенных форм в окрашенные на обоих электродах, является пределом максимального безопасного напряжения. При этом, как следует из уравнения 2, данное напряжение при фиксированной степени превращения 
линейно зависит от температуры ЭХСМ. Учет температуры важен для предотвращения деградации электрохромных слоев, вызванной изменением пределов безопасного напряжения в результате нагрева ЭХСМ солнечным тепловым излучением при использовании его в качестве «умного окна» для остекления зданий и кузовов транспортных средств.
Таким образом, ограничивая напряжение, до которого заряжается ЭХСМ при пропускании через него постоянного тока, возможно как регулировать его светопропускание, так и значительно снизить вероятность деградации устройства в результате переокисления/перевосстановления составляющих его электрохромных и/или заряд-буферных слоев.
Кроме того, в процессе функционирования ЭХСМ большой площади из-за падения напряжения по площади оптически прозрачных электродов, обладающих определенным сопротивлением, протекание постоянного тока в начальный момент вызывает преимущественное образование окрашенных форм электрохромных компонентов вблизи краев. При этом на обкладках возникает напряжение, соответствующее разности электрохимических потенциалов окрашенных форм, такое же, как и в случае равномерного окрашивания ЭХСМ небольшой площади. Естественно, при прекращении протекания тока напряжение на обкладках такого частично окрашенного ЭХСМ будет спадать по мере распространения окраски к центру. То есть, после релаксации (распространения окрашенной области к центру, сопровождающегося уменьшением напряжения на обкладках ЭХСМ) пропускание тока может быть продолжено до достижения требуемого уровня светопропускания по всей площади. Таким образом, ограничивая напряжение на обкладках ЭХСМ возможно предотвратить раннюю электрохимическую деградацию электрохромных компонентов на краях ЭХСМ большой площади и улучшить равномерность окрашивания по площади.
Предлагаемый контроллер, который реализует предлагаемый способ управления ЭХСМ, и действие которого основано на учете вышеперечисленных явлений, включает шесть функциональных блоков (см. фигуру 1): 1) блок определения необходимого рабочего напряжения (Up) на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем; 2) блок определения диапазона безопасных напряжений (Uб) на ЭХСМ в зависимости от температуры; 3) первый блок компаратора, выполненный с функцией проверки соответствия необходимого рабочего напряжения, выработанного блоком определения необходимого рабочего напряжения (Up) на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, диапазону безопасных напряжений (Uб), выработанному блоком определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, и ограничивающий его верхним пределом диапазона безопасных напряжений (Uб); 4) второй блок компаратора, выполненный с функцией сравнения безопасного необходимого рабочего напряжения (Uбр), выработанного первым блоком компаратора, с текущим напряжением на ЭХСМ (UЭХСМ) и определения направления регулирующего воздействия (повышение или понижение напряжения на ЭХСМ); 5) блок заряда/разряда ЭХСМ, выполненный с функцией заряда ЭХСМ постоянным током (+I) или разряда ЭХСМ путем кратковременного короткого замыкания анода и катода ЭХСМ (-IКЗ) в зависимости от направления регулирующего воздействия; 6) блок реле, выполненный с функцией обеспечения постоянного короткого замыкания анода и катода (-IКЗ) при аварийном отключении питания (Uпит=0) с целью приведения ЭХСМ в состояние максимального пропускания.
В первый вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают данные об измерение освещенности, во второй вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают регулировки пользователя. Во вход блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры поступают данные об измеренной температуре. Первый и второй входы первого блока компаратора соединены с выходами блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем и блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, соответственно. Выход первого блока компаратора соединен с первым входом второго блока компаратора, во второй вход второго блока компаратора поступает текущее напряжение на ЭХСМ. Выход второго блока компаратора соединен со входом блока заряда/разряда ЭХСМ, двухполярный выход блока заряда/разряда ЭХСМ соединен с анодом и катодом ЭХСМ. Во вход блока реле подключено напряжение питания, двухполярный выход блока реле соединен с анодом и катодом ЭХСМ.
Функция заряда ЭХСМ в блоке заряда/разряда ЭХСМ реализована с использованием источника тока (см. фигуру 2), обладающего внутренним сопротивлением (R1) значительно превышающим сопротивление ЭХСМ (R2), что позволяет пропускать через ЭХСМ большие токи (I), обеспечивающие быстрое изменение его оптического пропускания. При этом напряжение, обеспечиваемое источником тока (U1), может быть сколь угодно большим для гарантии протекания необходимого тока, а напряжение на ЭХСМ (U2) может быть ограничено рабочим напряжением, необходимым для достижения требуемого уровня оптического пропускания, или максимальным безопасным напряжением при текущей температуре ЭХСМ. Плотность тока через ЭХСМ в режиме окрашивания ограничивается необходимостью исключить деградацию ЭХСМ вследствие теплового воздействия тока, и определяется совокупностью электрических и электрохимических характеристик составляющих его слоев, определяемых экспериментально.
При включении питания контроллера (стадия 1) размыкается реле, замыкающее анод и катод ЭХСМ для обеспечения состояния максимального оптического пропускания при аварийном отключении питания (см. фигуру 3). При этом между анодом и катодом ЭХСМ практически сразу возникает напряжение Uэхсм, равное разности формальных электрохимических потенциалов анодной и катодной реакций. Одновременно при включении питания соответствующие датчики начинают измерение освещенности в пространстве, находящемся за ЭХСМ относительно источника освещения, и температуры электролита ЭХСМ. Пропорционально измеренным величинам контроллер формирует рабочее напряжение Up, зависящее от освещенности (стадия 2), и безопасное напряжение Uб, зависящее от температуры (стадия 3). Рабочее напряжение может быть также скорректировано пользователем для подбора комфортного уровня освещенности.
Далее (стадия 4) происходит сравнение Up и Uб и формируется предельное безопасное рабочее напряжение Uбр, которое равно рабочему напряжению при Up≤Uб и равно безопасному напряжению при Up≥Uб.
На следующей стадии 5 происходит сравнение безопасного рабочего напряжения с напряжением на ЭХСМ. При Uэхсм≥Uбр открывается транзистор, замыкающий анод и катод ЭХСМ, в результате чего ЭХСМ разряжается (стадия 6) до напряжения равного Uбр. При Uэхсм≤Uбр ЭХСМ подключается в цепь источника тока, который заряжает ЭХСМ (стадия 7) до напряжения равного Uбр. При неизменном Uбр может происходить саморазряд ЭХСМ, сопровождающийся снижением Uэхсм, после чего снова включается цепь заряда, поддерживая тем самым постоянное напряжение на ЭХСМ, определяющее постоянный уровень его оптического пропускания. При увеличении/уменьшении освещенности и/или температуры происходит изменение безопасного рабочего напряжения, которое также сравнивается с текущем напряжением на ЭХСМ и цикл повторяется.
Пример
Для испытания работы контроллера был использован электрохромный светомодулятор, описанный в примере к патенту RU 2488866 и включающий анодный электрохромный слой на основе полианилина, нанесенный электрохимически, катодный электрохромный слой на основе триоксида вольфрама, нанесенный вакуумным термическим напылением, между которыми находится слой твердого полимерного электролита на основе поли-(2-акриламидо-2-метил-1-пропан-сульфоновой кислоты (ПАМПСК). Электрохромные слои наносили на оптически прозрачные электроды (стекло с покрытием оксида олова, легированного фтором (FTO)) Рабочая площадь ЭХСМ составляла 25 см2. Ток заряда ЭХСМ был ограничен 20 мА, плотность тока, соответственно, составила 0,8 мА/см2.
На фигуре 4 представлены зависимости оптического пропускания ЭХСМ (а), тока и напряжения на ЭХСМ (б) от времени при периодической засветке датчика освещенности светодиодом. В начальный момент (0-5 с) на графике оптического пропускания (а) видно, что ЭХСМ обладает пропусканием, отличным от максимального, которое наблюдается только при коротком замыкании анода и катода.
На графике напряжения (б, сплошная кривая) в этот момент наблюдается напряжение, равное разности электрохимических потенциалов анодной и катодной реакций окрашивания. Это состояние соответствует стадии 1 на фигуре 3. При засветке датчика освещенности (временной интервал 5-8 с) контроллер выдает импульс постоянного тока (см. фигуру 4 (б), пунктирная кривая), длительность которого определяется моментом зарядки ЭХСМ (стадия 7 на фигуре 3) до безопасного рабочего напряжения (в данном случае 0,8 В). При этом пропускание ЭХСМ в течение 1 с уменьшается до ~9%. В примере использована засветка с неконтролируемой интенсивностью, значительно превышающей диапазон возможного плавного регулирования, поэтому изменение пропускания ЭХСМ происходит от минимального до максимального значения.
В интервале 8-13,5 с, после выключения засветки датчика освещенности, контроллер разряжает ЭХСМ через транзистор (стадия 6 на фигуре 3), что сопровождается постепенно спадающим напряжением на ЭХСМ и током в обратном направлении. Одновременно с этим процессом оптическое пропускание ЭХСМ увеличивается до 59%, причем наиболее интенсивный рост (до значения в 55%) происходит в первые 2 с от момента переключения. Для ЭХСМ с твердым полимерным электролитом такие скорости переключения являются очень высокими. Дальнейшие 2 цикла работы, показанные на фигуре 4, осуществляются аналогично.
Таким образом, показано, что данный котроллер обеспечивает быстрое переключение твердотельного ЭХСМ с пленочными электрохромными слоями без подачи на устройство напряжений, превосходящих разность электрохимических потенциалов электродной и катодной реакций, а также напряжений обратной полярности при обесцвечивании. Длительные испытания (2 года) в условиях изменяющейся естественной освещенности показали, что данный режим работы способствует увеличению рабочего ресурса ЭХСМ.
Claims (8)
1. Способ управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями, разделенными слоем оптически нейтрального электролита, отличающийся тем, что в качестве критерия необходимости выработки регулирующего воздействия используют напряжение, возникающее на электрохромном светомодуляторе в результате его принудительного заряда/разряда электрическим током или саморазряда, коррелирующее с оптическим пропусканием светомодулятора.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что необходимость и направление регулирующего воздействия определяют путем сравнения напряжения на электрохромном светомодуляторе с необходимым рабочим напряжением, определяемым на основании измерения освещенности и/или задаваемым пользователем.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что длительность регулирующего воздействия ограничивают моментом совпадения необходимого рабочего напряжения и напряжения на электрохромном светомодуляторе.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что регулирующим воздействием для увеличения напряжения на электрохромном светомодуляторе является пропускание постоянного тока в прямом направлении от анода к катоду, а регулирующим воздействием для уменьшения напряжения - кратковременное или постоянное короткое замыкание анода и катода.
5. Способ по п. 4, отличающийся тем, что величину плотности постоянного тока выбирают в зависимости от площади подключенного электрохромного светомодулятора в диапазоне от 0 до 500 мА/см2.
6. Способ по п. 2, отличающийся тем, что диапазон значений необходимого рабочего напряжения ограничивают разностью стандартных потенциалов электрохимических реакций, протекающих в электрохромных (анодном и/или катодном) или заряд-буферных слоях при текущей температуре светомодулятора.
7. Способ по п. 3, отличающийся тем, что при аварийном отключении питания электрохромный светомодулятор возвращают в состояние максимального светопропускания путем короткого замыкания анода и катода.
8. Контроллер для управления электрохромными светомодуляторами (ЭХСМ) с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями, содержащий блок определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, блок определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, первый блок компаратора, выполненный с функцией проверки соответствия необходимого рабочего напряжения, выработанного блоком определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем, диапазону безопасных напряжений, выработанному блоком определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, и ограничивающий его верхним пределом диапазона безопасных напряжений, второй блок компаратора, выполненный с функцией сравнения безопасного необходимого рабочего напряжения, выработанного первым блоком компаратора, с текущим напряжением на ЭХСМ и определения направления регулирующего воздействия (повышение или понижение напряжения на ЭХСМ), блок заряда/разряда ЭХСМ, выполненный с функцией заряда ЭХСМ постоянным током или разряда ЭХСМ путем кратковременного короткого замыкания анода и катода ЭХСМ в зависимости от направления регулирующего воздействия, блок реле, выполненный с функцией обеспечения постоянного короткого замыкания анода и катода при аварийном отключении питания с целью приведения ЭХСМ в состояние максимального пропускания, при этом в первый вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают данные об измерении освещенности, во второй вход блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем поступают регулировки пользователя, во вход блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры поступают данные об измеренной температуре, первый и второй входы первого блока компаратора соединены с выходами блока определения необходимого рабочего напряжения на ЭХСМ в зависимости от освещенности и/или задаваемого пользователем и блока определения диапазона безопасных напряжений на ЭХСМ в зависимости от температуры, соответственно, выход первого блока компаратора соединен с первым входом второго блока компаратора, во второй вход второго блока компаратора поступает текущее напряжение на ЭХСМ, выход второго блока компаратора соединен с входом блока заряда/разряда ЭХСМ, двухполярный выход блока заряда/разряда ЭХСМ соединен с анодом и катодом ЭХСМ, во вход блока реле подключено напряжение питания, двухполярный выход блока реле соединен с анодом и катодом ЭХСМ.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125918A RU2655657C1 (ru) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017125918A RU2655657C1 (ru) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2655657C1 true RU2655657C1 (ru) | 2018-05-29 |
Family
ID=62560517
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017125918A RU2655657C1 (ru) | 2017-07-19 | 2017-07-19 | Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2655657C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2758579C2 (ru) * | 2020-02-17 | 2021-10-29 | Сергей Олегович Лебедев | Способ и программно-технический комплекс для управления электрохромными устройствами |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4512637A (en) * | 1981-10-29 | 1985-04-23 | Carl-Zeiss-Stiftung, Heidenheim/Brenz | Method and means for stepwise charge control of electrochromic layers |
| US5973818A (en) * | 1998-09-21 | 1999-10-26 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Method and apparatus for controlling an electrochromic device |
| RU2492516C2 (ru) * | 2009-01-02 | 2013-09-10 | Эконтрол-Глас Гмбх Унд Ко. Кг | Способ и устройство для переключения электрохромных устройств большой площади |
| RU2571427C2 (ru) * | 2010-04-30 | 2015-12-20 | Вью, Инк. | Электрохромные устройства |
-
2017
- 2017-07-19 RU RU2017125918A patent/RU2655657C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4512637A (en) * | 1981-10-29 | 1985-04-23 | Carl-Zeiss-Stiftung, Heidenheim/Brenz | Method and means for stepwise charge control of electrochromic layers |
| US5973818A (en) * | 1998-09-21 | 1999-10-26 | Ppg Industries Ohio, Inc. | Method and apparatus for controlling an electrochromic device |
| RU2492516C2 (ru) * | 2009-01-02 | 2013-09-10 | Эконтрол-Глас Гмбх Унд Ко. Кг | Способ и устройство для переключения электрохромных устройств большой площади |
| RU2571427C2 (ru) * | 2010-04-30 | 2015-12-20 | Вью, Инк. | Электрохромные устройства |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2758579C2 (ru) * | 2020-02-17 | 2021-10-29 | Сергей Олегович Лебедев | Способ и программно-технический комплекс для управления электрохромными устройствами |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3072011B1 (en) | Method and apparatus for control of electrochromic devices | |
| AU2009208112B2 (en) | Process and apparatus for switching large-area electrochromic devices | |
| US6297900B1 (en) | Electrophotochromic smart windows and methods | |
| CN108445661B (zh) | 用于控制滤光器组件的系统和方法 | |
| US5231531A (en) | Electrochromatic glazings | |
| US9188828B1 (en) | Control circuit and method for maintaining light transmittance of electrochromic device | |
| EP2161615B1 (en) | Process and apparatus for switching large-area electrochromic devices | |
| CN114265254B (zh) | 电致变色器件的控制方法、装置、设备及存储介质 | |
| EP0879440A1 (en) | Electrochromic devices | |
| RU2655657C1 (ru) | Способ и контроллер управления электрохромными светомодуляторами с тонкопленочными электрохромными и/или заряд-буферными слоями | |
| JP2020510572A (ja) | 可変透過率の車両窓 | |
| US11269231B2 (en) | Pulse-width modulation for clearing electro-optic device | |
| RU2758579C2 (ru) | Способ и программно-технический комплекс для управления электрохромными устройствами | |
| JP2002229072A (ja) | エレクトロクロミック調光素子の制御方法および制御装置 | |
| US20200033686A1 (en) | Electrochromic device and method of driving the same, lens unit, image pickup apparatus, and window member | |
| JP6812774B2 (ja) | 素子制御装置及び素子制御方法 | |
| JP2017211631A (ja) | 素子制御装置及び素子制御方法 | |
| JPS63239424A (ja) | エレクトロクロミツク素子の駆動方式 | |
| Lebedev et al. | Effect of the electrical formation of electrochromic devices based on tungsten oxide | |
| AU749185B2 (en) | Electrophotochromic smart windows and methods |