I nte rna t io na l J o urna l o f   P o w er   E lect ro nics   a nd   Driv Sy s t e m   ( I J P E DS )   Vo l.   9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8 ,   p p .   987 ~ 996   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 / i j p ed s . v9 .i 3 . p p 9 8 7 - 996          987       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / I JP E DS   LED - La m p  Desig n f o r R enew a ble Energ y - Ba sed D C H o use   Applica tion       Rini Nur  H a s a na h 1 ,   Yo s i D w i   H a nd a ri 2 ,   So epra pto 3 ,   T a ufi k 4   1,   2,   3 El e c tri c a E n g in e e rin g   De p a rt m e n t,   Bra w ij a y a   Un iv e rsit y ,   In d o n e sia     4 El e c tri c a En g in e e rin g   De p a rtm e n t,   Ca P o ly   S tate   Un iv e rsity ,   Un it e d   S tate       Art icle  I nfo     AB ST RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   1 9 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u l   2 2 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   A u g   9 ,   2 0 1 8       T h is  p a p e d e sc rib e t h e   d e sig n   o f   a n   L ED  lam p   to   b e   u se d   i n   a   DC  h o u se   b e in g   su p p li e d   u si n g   a   re n e w a b le  e n e rg y   so u rc e   o i n   a   DC   S m a rt  G rid .   L ED   lam p a re   w id e l y   k n o w n   f o it l o w - e lec tri c it y   c o n su m p ti o n .   T h e   DC  h o u se   a p p li c a ti o n   is  b e c o m in g   m o re   a n d   m o re   p o p u lar  d u e   to   it a d v a n tag e   o f   u sin g   DC  g e n e r a ted   e lec tri c it y ,   f o e x a m p le  f ro m   a   so lar  p h o to v o l taic   s y ste m ,   d irec tl y   w it h o u h a v in g   to   in v e rt  it   in to   A v o lt a g e .   Ho w e v e r,   L ED  n e e d a   d riv e to   a c ti v a te  a n d   c o n tro l   it .   It m o u n ti n g   a lso   n e e d c e rtain   p re c a u ti o n   to   a n ti c ip a te  th e   h ig h   h e a f ro m   th e   L E D.  A n   a p p ro p riate   h e a tsin k   i re q u ired   b e f o re   a c ti v a ti n g   th e   L ED.   T h e   l a b o ra to ry   re su lt in d ica te  th a a   3 - w a tt   L E D   b u l b   lam p   c a n   p ro d u c e   a n   e ff ici e n c y   u p   to   9 3 . 1 6 %   w it h   l u m in o u e f f i c a c y   8 2 . 2 9   lm /W .   T h e se   re su lt p ro v e   th a a n   L ED  b u lb   c o n su m e le ss   e n e rg y   a n d   c a n   g iv e   a n   o p ti m a b rig h tn e ss .   K ey w o r d :   DC - DC   b u c k   c o n v er ter   DC   h o u s e   L E b u lb   L E d r iv er   R en e w ab le  e n er g y   r eso u r ce s   Co p y rig h ©   201 In s t it u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   R in i N u r   Hasa n a h   E lectr ical  E n g i n ee r i n g   Dep ar t m en t,   B r a w ij a y Un iv er s it y ,   MT   Har y o n o   Stre et  1 6 7   Ma lan g   6 5 1 4 5 ,   I n d o n esia .   e - m ail: r in i.h a s an a h @ u b . ac . id       1.   I NT RO D UCT I O N     DC   h o u s ap p licatio n   h as  b e en   w i n n i n g   m o r an d   m o r i n ter est s   to   b o o s th u s o f   elec tr icit y   d ir ec tl y   f r o m   r en e w ab le  e n er g y   s o u r ce s   w i th o u h a v i n g   to   in v o l v m a n y   i n v er tin g   p o w e r   elec tr o n ic   d e v ices   [ 1 ] .   I o f f er s   th p o s s ib ilit y   t o   b en ef it  lo w - p o w er   lo w - v o lt ag g e n er ated   elec tr icit y   w it h o u p ass in g   t h AC   p o w er   tr an s m i s s io n   a n d   d is tr i b u tio n   s y s te m s   [ 2 ] .   B ein g   in te g r ated   to   f o r m   a   DC   m icr o g r id   s y s te m ,   it  h as b ee n   p r o v en   to   ca u s s ig n i f ica n tl y   l ess   p o w er   lo s s es  b ein g   co m p a r ed   to   its   A C   co u n ter p ar s y s t e m s   [ 3 - 4 ] .   T h DC   h o u s s y s te m   ca n   tak e   th b e n ef it  f r o m   t h D C   g e n er atio n   s y s te m   [ 3 - 6 ] .   I also   p r o v id es  it s   en er g y   n ee d   its el f   th r o u g h   t h co n v er s io n   o f   v a r io u s   r en e w ab le  e n er g y   s o u r c es  s u c h   a s   p h o to v o ltaic,   h y d r o ,   w in d ,   a n d   ev e n   h u m a n   lab o r   [ 2 ,   7 ] .     T h m o s i m p o r tan eq u ip m e n w h ich   m u s b a v ailab le  i n   h o u s i s   th l ig h ti n g   s y s t e m .   L E D - b ased   lig h ti n g   h as  b ee n   r ec en t l y   k n o w n   as  v er y   ef f icie n a n d   o f   lo w - e n er g y   co n s u m p tio n .   A   L E i s   w o r k in g   o n   d ir ec cu r r en ( D C )   v o lta g e,   s o   it  is   v er y   s u itab le  as  th lo ad   i n   DC - h o u s e.     As  th m ai n s   c u r r en i s   n o r m all y   an   al ter n ati n g   cu r r e n ( A C )   at  m u c h   h ig h er   v o lta g th a n   t h L E ca n   ac ce p t,  ce r tain   cir cu itr y   is   s o m eti m es   n ee d ed   to   co n v er th m ai n s   A C   in to   DC   at  t h co r r ec v o ltag e,   alt h o u g h   s o m lo w - v o ltag e   L E D s   ar als o   av ailab le  in   th m ar k et.   A   L E lig h d esi g n   b ei n g   d ev elo p ed   in   [ 7 ]   p r o d u ce d   l ig h b u lb s   ef f icie n c y   u n t il 8 5 . 6 3 w it h   v o ltag r a n g b et w ee n   2 4 V - 7 2 an d   p o w er   co n s u m p tio n   o f   1 3 , 4 4   w at ts .   I t a ls o   p r o d u ce d   en o u g h   ill u m in at io n   le v el s   f o r   lig h ti n g   a h o m e.   T h is   p ap e r   p r esen ts   d es ig n   o f   L E D - la m p   to   b u s ed   in   DC   h o u s b ein g   s u p p lied   u s i n g   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce   o r   in   DC   S m ar t G r id   [ 7 ,   8 ] .           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   987     9 9 6   988   2.   RE S E ARCH   M E T H O D     2 . 1 .     DC  H o us Sy s t e m   T h DC   h o u s s y s te m   g ai n s   i ts   i n ter est   d u to   t h co n ce r n   to   u s e   e lectr icit y   at  lo w   co s [ 9 ] .   A   D C   h o u s e   ca n   b s u p p lied   b y   elec tr icit y   r es u lted   f r o m   v ar io u s   r en e w ab le  e n er g y   r eso u r ce s   a v ailab le  s u r r o u n d i n g   th h o u s [ 2 , 7 ] .   A n   e x a m p le  o f   th b asic d es ig n   o f   D C - h o u s is   s h o w n   i n   Fi g u r 1 .           Fig u r e   1 .   T h b asic d esig n   o f   DC - h o u s e       As s h o w n   in   Fig u r 1 ,   th er ar f o u r   r en e w ab le  en er g y   r eso u r ce s   as t h s o u r ce   o f   elec tr icit y .   T h DC   g en er ated   elec tr icit y   i s   co n n e cted   to   ea ch   o f   t h b o o s tin g   DC - DC   co n v er ter s   to   r aise  t h v o lta g le v el  o f   g en er atio n ,   f o r   e x a m p le  f r o m   1 2 to   2 4 [ 9 ] .   I th en   b ec o m es  th i n p u o f   M u lt ip le - I n p u Sin g le - O u tp u t   ( MI SO)   DC - D C   co n v er ter   w h ich   is   t h en   co n n ec ted   to   th Ma in   Vo ltag L i n o f   Feed er   B o x   ( R elay s ) .   T h m ai n   v o lta g li n is   co n n ec te d   th r o u g h   c h ar g co n tr o ller   to   b atter y   s to r ag w it h   c er tain   ca p ac it y .   T h f ee d er   b o x   co m p r is e s   r ela y s ,   i n clu d i n g   m u ltip le  cir cu it  b r ea k er s   an d   f u s to   co n tr o th d i s tr ib u tio n   o f   en er g y   an d   to   p r o tect  ag ain s t t h g r o u n d   f a u lts   o n   th D C   [ 9 ] .       2 . 2 .     L E ( L ig ht - E m it t ing   D io de)   L i g h t - e m it tin g   d io d e,   o r   k n o w n   as  L E is   t w o - lead   s e m ico n d u cto r   lig h s o u r ce   in   t h e   f o r m   o f   a   p n   j u n ctio n   d io d e m itti n g   li g h t   w h e n   ac t iv ated .   C o m m o n l y ,   it  d o es  n o e m it  li g h i n   all  d ir ec tio n s ,   alt h o u g h   o m n id ir ec tio n al  la m p s   ar b ec o m in g   m o r p o p u lar .   T h L E d esig n   co n s id er ed   in   th i s   p ap er   is   b ased   o n   t h latest  L E li g h ti n g   tec h n o lo g y ,   th h i g h - p o w er   L E as  s h o w n   in   Fi g u r 2 ,   w h ich   is   ca p ab le  o f   p r o d u cin g   h ig h   li g h t i n ten s it y   ( u p   to   8 0 - 1 0 0 W /lu m en )   w i th   s m a ll p o w er   co n s u m p tio n .   T h L E r eq u i r es a   ce r ta in   d r iv er   to   tu r n   o n   a n d   g en er ate s   co n s i d er ab le  h ea ( h i g h   h ea t) ,   w h ic h   i s   n o t   co m i n g   f r o m   t h l ig h t   b u f r o m   t h b ac k   p ar t o f   th L E D.   C o n s eq u en t l y ,   an   ap p r o p r iate  h ea ts in k   is   r e q u ir ed .             Fig u r 2 .   Hig h - p o w er   L E D       2 . 3 .     LED - L a m p De s ig n   An   o v er v ie w   o f   t h g e n er al   ar r an g e m e n o f   an   L E li g h b u lb   in   p r o d u cin g   li g h i s   g iv e n   i n   Fig u r 3 .   A s   s ee n ,   th VI a n d   GND  ar s u p p lied   d ir ec tl y   f r o m   th 4 8 D C - b u s   v o lta g o f   t h D C   h o u s e.   T h ey   ar co n n ec ted   d ir ec tl y   t o   th L E d r i v er   w h ich   s h o u ld   b d esig n ed   b ased   o n   t h d esire d   L E D - L a m p   d esig n .   T h p o s itiv o u tp u s i d o f   th L E d r iv er   is   co n n e cted   to   th p o s itiv i n p u s id o f   th L E A r r a y ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       LED - La mp   Desig n   fo r   R en ewa b le  E n erg y - B a s ed   DC   Ho u s A p p lica tio n   ( R in i Nu r   Ha s a n a h )   989   w h er ea s   t h n e g ati v o u tp u o f   th L E A r r a y   i s   f ed   i n to   th n eg ati v s id o f   th L E d r iv er   L E D_ N.   B ased   o n   th i s   ar r an g e m e n t t h L E w il l p r o d u ce   lig h t.   T h b lo ck   d iag r a m   o f   th e   L E d r iv er   L T 3 5 9 0   is   g i v e n   i n   F ig u r e   4 .   I is   h ig h   v o lta g c u r r en t - m o d b u ck - m o d L E d r iv er   w h ic h   is   ab le  to   g en er ate  co n s ta n t   cu r r en to   th L E cir cu it  w i th   v o lta g u p   to   4 0 V.   I h as  i n ter n al   co m p e n s atio n   f ea tu r e,   a   5 5 in ter n al  p o w er   s w itc h   a n d   5 5 i n te r n al  Sc h o ttk y   d io d e   w h ic h   allo w   th D C   cu r r e n t u p   to   5 0 m A   w it h   an   e f f ic ien c y   u p   to   9 1 % [ 1 0 ] .   T h L T 3 5 9 0   h as  3 . 3 lin ea r   r eg u lato r   o n b o ar d   w it h   an   ab ilit y   to   s u p p l y   ex ter n al  d e v ice  u p   to   1 m A .   T h 3 . 3 r eg u lato r   r em ai n s   a v ailab le  ev e n   w h e n   at   th s h u td o w n   s ta te.   T h is   f ea tu r ca n   b u s ed   to   p o w er - u p   ex ter n al  L T 3 5 9 0   c o n tr o ller   w h ic h   ca n   co n tr o t h L E c u r r en r es u lted   b y   a ctiv ati n g   t h C T R L   p in .   A l ter n ati v el y ,   th o u tp u t   p in   r eg u lato r   ( VR E G)   m a y   b co n n ec ted   d ir ec tly   to   t h C T R L   p in   ( P in   5 ) .   W h en   th C T R L   p in   i s   g i v e n   th v o lta g o v er   1 5 0 m V,   th o s cillato r ,   P W co m p ar ato r ,   an d   th er r o r   a m p li f ier   w ill  b ac t iv e.   T h L T 3 5 9 0   u s i n g   th b u ck - m o d co n v er ter   to   r eg u late  th o u t p u v o lta g to   t h e   L E v o ltag le v els r eq u ir ed   t o   m atc h   t h r eq u ir ed   cu r r en t [ 1 0 ] .           Fig u r 3 .   B lo ck   d iag r a m   o f   t h B u lb   C ir cu it           Fig u r 4 .   T h b lo ck   d iag r am   o f   th L E d r iv er   L T 3 5 9 0       2 . 4 .   L E Arr a y   T h L E d esig n   s h o u ld   m atc h   w it h   th s ta n d ar d   o f   th la m p   d i m e n s io n s   to   b ad o p te d .   T h u s ,   t h e   d esig n   o f   t h L E ar r a y s   m u s f i w ell   w it h   th e   d i m e n s io n s   o f   t h la m p .   I n   t h is   p ap er ,   th L E b u lb   h o u s in g   h as  b ee n   cu s to m ized   f r o m   t h a o f   t h e x is t in g   R o y al  1 2 VD C   L E b u lb   la m p ,   as   s h o w n   i n   Fi g u r 5 .   T h u s ed   L E Ds  ar m ad b y   E p is t ar   [ 1 1 ] .   T h E p is tar   L E la m p   p r o d u ce s   th lu m in o u s   f l u x   o f   ab o u 4 0 0   lm ,   co n tain i n g   5   L E D s ,   g i v i n g   l u m in o u s   f l u x   o f   8 0   l m   ea ch .   As  th d es ig n ed   b u lb   la m b   i n   th is   p ap er   u s e s   t h r ee   L E Ds,  it  s h o u ld   p r o d u ce   2 4 0   l m   an d   b ar r an g ed   in   tr ian g u lar   f o r m   o n   th e   to p   o f   Me tal - C o r P C B   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   987     9 9 6   990   ( MCP C B )   b ef o r b ein g   attac h ed   to   an   alu m i n u m   h ea ts i n k .   T h f in al  d esi g n   o f   t h is   L E Ds   ar r ay   is   s h o w n   i n   Fig u r 6 .           ( a)     ( b )     ( c)     Fig u r 5 .   B u lb   Me ch an ic s ,   ( a)   L i g h t D if f u s er ,   ( b )   A l u m in u m   Hea ts i n k s   d i m e n s io n ,     ( c)   A l u m in u m   Hea ts in k   an d   E 2 7   Scr e w   B ase         ( a)         ( b )       ( c)     Fig u r 6 .   T h p lace m en t o f   t h L E Ds o n   t h M C P C B   o f   u s ed   R o y al  L E D,   ( a)   th L E d is tan ce   d esi g n ,   ( b )   s ch e m atic  d esi g n ,   ( c)   p h y s ical   d esig n       I n   o r d er   to   f o r m   tr ia n g u lar   f o r m at io n ,   t h L E Ds  p o s itio n   a n d   th d is tan ce   b et w ee n   t h e m   n ee d   to   b e   ca lcu lated .   I i s   ai m ed   to   m a k th e   L E la m p   b ab le  to   s p r ea d   th l ig h t   eq u all y .   T h d is t an ce   i s   d eter m in e d   b ased   o n   th s ize  o f   t h L E D,   w h ic h   is   ab o u 1 5   m m .   T h p o s itio n   h as  b ee n   m ad to   f o r m   a n   eq u ila ter al   tr i an g le  to   p r o d u ce   v ie w in g   an g le  o f   1 2 0 o ,   g iv i n g   a   d is t an ce   o f   3 0   m m   b et w ee n   L E Ds.  T h is   i s   t h b est   d is tan ce   w it h   r esp ec to   th e   MCP C B   d i m e n s io n ,   i n   o r d er   f o r   th e   li g h b u lb   to   p r o d u ce   th m a x i m u m   li g h t   in te n s it y .   Ho w e v er ,   in   o r d er   n o to   ca u s t h li g h o u i n   o n s p o o n l y ,   a   li g h t   d if f u s er   to   s p r ea d   th b ea m   is   r eq u ir ed   ( Fig u r 5 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       LED - La mp   Desig n   fo r   R en ewa b le  E n erg y - B a s ed   DC   Ho u s A p p lica tio n   ( R in i Nu r   Ha s a n a h )   991   2 . 5 .   L E Driv er   T h L E d r iv er   d esig n   s h o w n   in   Fi g u r 7   co m p r is es t h f o ll o w i n g   co m p o n en t s   [ 1 2 ] :   a.   6 , 8 Ω   r esis to r   p r o v id in g   t h cu r r en t I L E 3 0 m A   b.   4 7 0 µH   in d u cto r   to   m a k th c o n s ta n t D C   c u r r en t   c.   1 µF  5 0 p o la r   ca p ac ito r   ( C 1 )   as th o u tp u t c ap ac ito r   to   r eg u late  th VI N= 4 8 V   d.   1 µF  n o n p o lar   ca p ac ito r   ( C 2 )   a s   th r eg u lato r   ca p ac ito r   in   th e   L E ar r a y   cir cu i t   e.   0 , 1 µF  n o n p o lar   ca p ac ito r   ( C 3 )   as  th r eg u lato r   ca p ac ito r   w h ich   is   co n n ec ted   to   p in   V R E w h o s v o ltag e   is   r eg u lated .       3.   RE SU L T S AN AN AL Y SI S   3 . 1 .     Si m ula t io n Re s ults o f   t he  Curre nt  I LED   a s   a   f un ct io o f   t i m e   T h g r ap h   o f   th e   cu r r e n I L E as  f u n c tio n   o f   ti m o b tain ed   u s in g   t h L T Sp ice  s i m u lat io n   p r o g r am   is   g i v en   in   Fi g u r 8 .   I is   t h L E c u r r en f lo w i n g   in   D1 ,   in   Fi g u r e   7 .   A s   th th r ee   L E Ds   ar e   co n n ec ted   i n   s er ie s ,     t h c u r r en g r ap h s   o f   t h D2   a n d   D3   ar th s a m e.   T h in p u t c u r r e n t i s   d eter m i n ed   b y   t h e   r esis ta n ce   o f   th i n s talled   r es is to r   R 1 ,   as  s ee n   in   Fi g u r 7 .   T h r esu lted   in p u p o w er   PIN   ca n   b s ee n   in   Fig u r 9 .   T h ef f icie n c y   ca n   b o b tain ed   u s in g   t h d ata  o f   VI N,   I I N,   an d   VOUT ,   I OU T   in   Fi g u r 9 .   I g iv es   an   ef f icie n c y   o f   t h b u lb   h ig h er   th an   8 0 %,  w h ich   i s   9 7 . 5 1 %.  T h o v er all  s i m u latio n   r es u lts   o f   th DC   L E D   lig h t b u lb   ar p r e s en ted   in   T ab le  1 .     3 . 2 .     T he  Resul t ed  L a y o ut  o f   2 - L a y er   P CB   Cus t o m   Desig n   T h 2 - L a y er   P C B   cu s to m   d e s ig n   h as   b ee n   o b ta i n ed   u s i n g   t w o   s tep s   in   d esi g n in g   t h P C B   L E D   Dr iv er .   T h f ir s s tep   is   cr ea ti n g   cir c u it s   s ch e m atic,   w h ic h   h a s   b ee n   d o n u s i n g   E x p r es s SC H,   as  s h o w n   i n   Fig u r 1 0 .   T h n e x s tep   i s   cr ea tin g   P C B   p r o to t y p d esi g n   u s i n g   E x p r ess P C B   -   P C B   d esig n   ap p licatio n   w h ic h   ca n   b u s ed   f o r   cr ea tin g   2 - la y er   u n ti 4 - la y er   P C B   p r o to ty p d esi g n s .   T h r esu lted   2 - la y er   P C B   d esig n   is   s h o w n   i n   Fi g u r 1 1 ,   co n tain in g   t h s c h e m atic  d esi g n   as  well  as th p h y s ical  d esi g n   o f   ea ch   la y er .             Fig u r 7 .   L E Dr iv er   Sc h e m a tic  at  4 8 B u ck - Mo d L E Dr iv er     Fig u r 8 .   T h I L E cu r r en g r ap h   as a   f u n ct io n   o f   ti m         ( a)     ( b )     Fig u r 9 .   T h r esu lted   v alu e s   o f   ( a)   VI an d   I I ( b )   VOUT   an d   I OUT   in   th L T Sp ice  Si m u latio n   So f t w ar e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   987     9 9 6   992     T ab le  1 .   Sim u latio n   R e s u l ts   o f   th DC   L E L i g h t B u lb   P a r a me t e r   S p e c i f i c a t i o n   B u s   V o l t a g e   ( S i mu l a t i o n ) : V I N   48V   O u t p u t   V o l t a g e   i n   B u c k - M o d e   : V L ED   0 V     12V   Ef f i c i e n c y   a t   F u l l   L o a d *   9 7 . 5 1 %   P o w e r   C o n su mp t i o n *   4 . 1 8 9 W   L E D s i n   S e r i e s   3   C o l o r   Te mp e r a t u r e   C o o l   W h i t e   M a x i m u m   T e mp e r a t u r e   Ju n c t i o n   8 5 o C   L u mi n o u s F l u x   U p   t o   2 4 0 l m   M a x i m u m   F o r w a r d   V o l t a g e   3 . 2 5 V   M a x i m u m   L ED F o r w a r d   C u r r e n t   3 5 0 mA   C o n st a n t   V o l t a g e   R e g u l a t i o n   Y e s   C o n st a n t   C u r r e n t   R e g u l a t i o n   Y e s   * Te st   R e su l t   u si n g   A O T - 2 0 0 5   ( x 3 )           Fig u r 1 0 .   T h s ch e m atic  d esi g n   o f   th D C   L ig h t B u lb   u s i n g   E x p r ess S C H         ( a)     ( b )     ( a)     ( b )   First la y er   Seco n d   la y er     Fig u r 1 1 .   T h 2 - la y er   P C B   d esig n ,   ( a)   s ch e m atic  d esi g n ,   ( b )   p h y s ical   d esi g n       T h o b tain ed   P C B   w it h   t h d i m en s io n   o f   3 . 5 x 2 . 5   c m   w e r th en   r ea d y   to   b m o u n ted   w i th   th e   r eq u ir ed   co m p o n e n ts   as d eter m i n ed   in   t h d atash ee t o f     L T Sp ice,   as seen   i n   Fi g u r 1 3 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       LED - La mp   Desig n   fo r   R en ewa b le  E n erg y - B a s ed   DC   Ho u s A p p lica tio n   ( R in i Nu r   Ha s a n a h )   993     ( a)     ( b )     ( c)   Fig u r 1 3 .   C o m p o n en t s   u s ed   f o r   o u ter   cir cu it  d esig n ,   ( 1 )   C ap ac ito r s   ( a)   P o lar   1 µF  ( b )   No n p o lar   1 µF  ( c)   No n p o lar   0 . 1 µF; ( 2 )   R esis to r ; ( 3 )   I n d u cto r       3 . 3 .   T he  E f f iciency   T est  Res ults   T h ef f ic ien c y   h as  b ee n   k n o w n   f r o m   t h r e s u l ts   o f   m ea s u r e m en t s   p er f o r m ed   u s in g   m u lti m eter   to   g et  I L E D,   V L E D,   w it h   t h e   g i v en   in p u t v o lta g VI r an g o f   0 -   4 8 V,   as seen   in   T ab le  3 .       T ab le  3 .   Data   o f   m ea s u r e m en t   r esu lts   o n   th D C   L E B u lb   V IN   (V)   I IN   ( m A )   P IN   ( W )   V L E D   (V)   I L E D   ( m A )   V O U T   (V)   P O U T   ( W )   Ef f i c i e n c y   L E D   S t a t e   0   0   0   0   0   0   0   -   Off   6   0 . 6   0 . 0 1 0 8   1 . 3   0   4 . 3   0   0   Off   12   1 2 2   4 . 3 9 2 0   8 . 5   2 9 . 9   3 . 9   0 . 3 4 9 8   7 . 9 6 5 2   On   18   7 0 . 8   3 . 8 2 3 2   8 . 5   2 9 . 9   9 . 7   0 . 8 7 0 1   2 2 . 7 5 8 2   On   24   5 2 . 3   3 . 7 6 5 6   8 . 5   30   1 7 . 7   1 . 5 9 3 0   4 2 . 3 0 4 0   On   30   4 0 . 6   3 . 6 5 4 0   8 . 5   30   2 3 . 8   2 . 1 4 2 0   5 8 . 6 2 0 7   On   36   3 5 . 8   3 . 8 6 6 4   8 . 5   30   29   2 . 6 1 0 0   6 7 . 5 0 4 7   On   42   3 0 . 9   3 . 8 9 3 4   8 . 5   30   3 2 . 9   2 . 9 6 1 0   7 6 . 0 5 1 8   On   48   2 6 . 5   3 . 8 1 6 0   8 . 5   30   3 9 . 6   3 . 5 6 4 0   9 3 . 3 9 6 2   On       As  s ee n   f r o m   T ab le  3 ,   th L E d r iv er   L T 3 5 9 0   co u ld   o p er at o p tim al l y ,   b ein g   i n d icate d   b y   th v al u e   o f   L E v o ltag e   V L E d an   cu r r en I L E D   w h ich   w er o f   co n s ta n v al u es   alt h o u g h   th e   in p u v o ltag e   VI h ad   b ee n   in cr ea s ed   u p   to   4 8 V.   A s   th L T 3 5 9 0   is   B u ck - Mo d L E Dr i v er ,   th in p u v o lta g ca n   b d ec r ea s ed   an d   r eg u lated .   W h e n   t h v o lt ag s tar ted   to   b co n s ta n t,  t h e   in p u cu r r e n I I s tar ted   to   d ec r ea s e.   W h en   th e   in p u t c u r r en t   to   th e   la m p   i s   lo w er ,   h ig h er   w il l b th e   r esu lte d   ef f ic ien c y .   T h ca lcu lated   ef f icie n c y   o f   t h L E D   la m p   w a s   ab o u 9 3 . 3 9 at  4 8 V,   w h ic h   i s   h ig h er   t h a n   8 0 an d   m o r ap p r o ac h in g   t h r esu lt  o f   s i m u la tio n .   Fig u r 1 4   in d icate s   th co m p a r is o n   o f   V L E as a   f u n ctio n   o f   VI an d   I L E a s   f u n c tio n   o f   VI N.     3 . 4 .   T he  T e m pera t ure  T e s t   Resul t s   T h te m p er atu r m ea s u r e m e n o f   t h D C   li g h b u lb   h as  b ee n   u n d er tak e n   u s i n g   a n   i n f r ar ed   th er m o m eter ,   w h ic h   is   la s e r - b ased   te m p er at u r m ea s u r in g   d ev ice,   as  s ee n   i n   Fi g u r 1 5 .   T h co n s id er ed   m ax i m u m   j u n ctio n   te m p er at u r o f   th L E w as  8 5 o C   as  s u g g ested   in   [ 1 1 ] .   I n   o r d er   f o r   a   L E to   h av lo n g   li f e,   th m ea s u r ed   te m p er atu r s h o u ld   b less   th a n   th m a x i m u m   j u n ctio n   te m p er at u r e.   T h m ea s u r e m e n t   r esu lt s   ar d is p la y ed   in   T ab le  4 .         ( a)     ( b )     F ig u r 1 4 .   T h cu r v es ( a)   V L E D VI N,   ( b )   I L E D VI N       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   987     9 9 6   994           Fig u r 1 5 .   I n f r ar ed   T h er m o m e ter       T ab le  4 .   Me asu r e m en R es u lt s   o f   T em p er atu r o n   t h P C B   an d   L E A r r a y s   u s i n g   a n   I n f r ar ed   T h er m o m eter   ( mi n u t e )   T e mp e r a t u r e   ( o C)   D a y   1   D a y   2   D a y   3   P C B   L E D   A r r a y   P C B   L E D   A r r a y   P C B   L E D   A r r a y   0   28   2 8 . 3   27   28   28   2 8 . 4   5   29   3 1 . 9   2 7 . 7   3 2 . 1   2 8 . 9   3 4 . 3   10   31   3 5 . 2   2 8 . 2   3 4 . 5   31   3 3 . 6   15   33   4 0 . 3   2 8 . 6   4 1 . 1   32   4 3 . 3   20   35   43   29   4 2 . 1   3 3 . 5   4 1 . 4   25   3 6 . 4   4 6 . 6   2 9 . 4   45   35   4 7 . 1   30   3 5 . 8   51   31   5 0 . 5   3 5 . 4   5 0 . 2   35   3 5 . 9   5 3 . 5   3 2 . 1   5 5 . 9   3 5 . 9   5 5 . 1   40   36   5 5 . 3   3 4 . 5   5 8 . 3   36   5 8 . 1   45   36   5 8 . 6   3 4 . 9   5 9 . 9   3 6 . 1   60   50   36   6 1 . 3   3 5 . 5   6 1 . 3   3 6 . 6   6 1 . 6   55   36   6 1 . 4   3 5 . 5   6 1 . 7   37   6 1 . 8   60   36   6 1 . 4   3 5 . 6   6 1 . 8   3 6 . 9   6 1 . 8       As  s ee n   in   T ab le   4 ,   all  th m ea s u r ed   te m p er at u r es  ar b elo w   8 5 o C .   I m ea n s   t h at  t h r esu lted   d esig n   is   en s u r ed   to   b s a f an d   lo n g - li v ed .   Ho w ev er ,   f r o m   t h e   o b s er v atio n   d o n it  co u ld   b k n o w n   th a t h p lace m en t   o f   al u m i n u m   h ea t s i n k   m o u n ted   o n   t h MCP C B   c o u ld   h a v s t ill b ee n   i m p r o v ed ,   w h ic h   w o u ld   b r in g   ab o u t c o o ler   tem p er atu r es t h a n   w h a t h ad   b ee n   m ea s u r ed .     3 . 5 .   L u m i na t io n M e a s ure m e nt  Resul t s   T h r esu lts   o f   ca l cu latio n   a n d   m ea s u r e m en o f   t h li g h in ten s it y   ar g i v en   i n   T ab le  5 .   T h lu m in a tio n   h a s   b ee n   m ea s u r e d   u s in g   lu x   m eter .   T h o b ta in ed   d ata  ar th en   u s ed   to   ca lcu late  th l u m in o u s   ef f icac y   b y   u s in g   s o m f o llo win g   f o r m u la s .   T h ar ea   o f   s p h er e:     A S PHERE =   4 π r 2                 ( 1 )     1   l ux = l umen s m 2                   ( 2 )     l umin ous   e ff ic a c y =   l umen s P in                    ( 3 )     L u m in o u s   f lu x   to tal  o n   w o r k in g   p lace   ( l u m e n ) :     F t o t al =   E   x   A k p   x   k d             ( 4 )     w h er E   is   th l u m i n atio n   ( l u x ) ,   A   is   t h w o r k i n g   ar ea ,   k p   is   th u t ilit y   f ac to r ,   k d   is   t h li g h t lo s s   co ef f i cie n t.               Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t     I SS N:  2 0 8 8 - 8 694       LED - La mp   Desig n   fo r   R en ewa b le  E n erg y - B a s ed   DC   Ho u s A p p lica tio n   ( R in i Nu r   Ha s a n a h )   995   T ab le  5 .   T h R esu lt s   o f   C a lcu l atio n   an d   Me as u r e m e n t o f   t h L i g h t I n te n s it y       D i st a n c e   ( m)   L u mi n a t i o n     ( l u x )   V IN   (V)   I IN   ( m A )   P IN   ( W )   A S P H E R E   (m 2 )   L u mi n o u s F l u x   ( l m)   L u mi n o u s E f f i c a c i t y   ( l m/ W )   1   1   25   0   0   0   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   0 . 0 0   2   1   25   6   0 . 6   0 . 0 1 0 8   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   0 . 0 0   3   1   25   12   1 2 2   4 . 3 9 2   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   7 1 . 4 9   4   1   25   18   7 0 . 8   3 . 8 2 3 2   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 2 . 1 3   5   1   25   24   5 2 . 3   3 . 7 6 5 6   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 3 . 3 9   6   1   25   30   4 0 . 6   3 . 6 5 4   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 5 . 9 3   7   1   25   36   3 5 . 8   3 . 8 6 6 4   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 1 . 2 1   8   1   25   42   3 0 . 9   3 . 8 9 3 4   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 0 . 6 5   9   1   25   48   2 6 . 5   3 . 8 1 6   1 2 . 5 6   3 1 4 . 0 0   8 2 . 2 9         B y   d eter m i n i n g   th F total   as  2 4 0   lu m en s   as  th l u m in o u s   f l u x   s p ec i f ied   d u r in g   th b eg i n n in g   o f   t h d esig n   f o r   3   L E Ds,  t h e   lu m i n atio n   o f   ab o u 1 0 0   l u x   w it h   l i g h t   lo s s es  co e f f icie n o f   0 . 8   [ 1 3 ] ,   an d   u tili za t io n   f ac to r   o f   0 . 5   [ 1 4 ] ,   th ar ea   o f   0 . 9 6   m 2   h as  b ee n   o b tain e d .   B y   ass u m in g   a   r ec tan g u la r   ar ea ,   it  h as  b ee n   ap p r o x im a ted   to   h av e   s id o f   1   m eter ,   g i v i n g   lu m i n atio n   o f   2 5   l u x   a s   d is p la y ed   i n   T ab le  6 .   T h d is ta n ce   b et w ee n   t h la m p   an d   lu x m et er   h as   b ee n   o b tain ed   a s   1 0 0   c m   u s in g   E q .   4 .   T h o b tai n ed   r esu lt   o f   l u m in at io n   m ea s u r e m e n at  t h d is ta n ce   o f   1 0 0   cm   i s   2 5   lu x .   B ased   o n   th ese  d ata  a n d   u s i n g   E q s .   1 - 3 ,   th lu m i n o u s   f lu x   o f   3 1 4   lu m e n s   a n d   lu m i n o u s   e f f icac y   ab o u 8 2 . 2 9   lu m en s /W   at  a   v o lta g o f   4 8 h av b ee n   o b tain ed .   I t   in d icate s   t h at  t h r esu l ted   L E lig h t b u lb   m ee ts   t h m in i m u m   cr iter ia  f o r   in d o o r   lig h tin g   n ee d s   at  h o m e.     3 . 6 .   Co m pa ri s o n o f   Si m ula t i o n Re s ults a nd   T esting   Re s u lt s   T h co m p ar is o n   o f   co m p lete  s i m u lat io n   an d   m ea s u r e m e n r esu lt s   is   g i v e n   in   T ab le  6 .   I n   g en er al  it   in d icate s   t h clo s co n co r d an c b et w ee n   th s i m u la tio n   a n d   m ea s u r e m e n t r es u lt s .   T h ch ar ac ter is tic  g r ap h s   o f   th b u c k - m o d L E d r iv er   L T 3 5 9 0   o b tain ed   f r o m   s i m u lati o n   an d   m ea s u r e m e n ar s h o w n   i n   Fi g u r 1 6 .   As   in d icate d ,   b o th   o f   t h e m   s h o w   th s i m i lar   s h ap o f   g r ap h s   o f   th v o ltag t h r o u g h   th L E b u lb   la m p   w it h   t h e   m ax i m u m   v a lu o f   ab o u t 4 8 V.       T ab le  6 .   C o m p ar is o n   o f   Si m u l atio n   R es u lt a n d   T esti n g   R es u l t   P a r a me t e r   S i mu l a t i o n   r e su l t   T e st i n g   r e su l t   R a n g e   I n p u t   V o l t a g e   1 2 V   -   4 8 V   1 2 V   -   4 8 V   L E D   V o l t a g e   ( V L ED )   8 . 6 4 5 V   8 . 5 V   Ef f i c i e n c y   a t   F u l l   L o a d   9 7 . 5 1 %   9 3 . 3 9 %   P o w e r   C o n su mp t i o n   4 . 1 8 9 W   3 . 8 6 W   L E D   M a n u f a c t u r e r   A O T   EP I S TA R   L E D   i n   S e r i e s   3   3   L u mi n o u s E f f i c a c y   8 0   l m/ W   8 2 . 2 9   l m/ W   L u mi n o u s F l u x   2 4 0   l m   3 1 4   l u me n   M a x i m u m   C u r r e n t   3 5 0 mA   3 0 mA   M a x i m u m   T e mp e r a t u r e   8 5 o C   6 1 . 8 o C   C o n st a n t   C u r r e n t   R e g u l a t i o n   Y e s   Y e s   C o n st a n t   V o l t a g e   R e g u l a t i o n   Y e s   Y e s           ( a)     ( b )   Fig u r 1 6 .   T h r eg u lated   v o lta g w av e f o r m   o f   th L E D - L a m p ,   ( a)   s im u latio n   r esu l t,  ( b )   test in g   r esu l t       4.   CO NCLU SI O N     A   L E la m p   w it h   lo w - p o w er   co n s u m p tio n   an d   h i g h   e f f icie n c y   h as  b ee n   d esi g n ed   a n d   r ea lized .   I is   p o ten tial  to   b u s ed   in   DC   h o u s b ein g   s u p p lied   u s i n g   r en e w ab le  en er g y   s o u r ce   o r   i n   DC   S m ar Gr id Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 694     I n t J   P o w   E lec  &   Dr i   S y s t ,   Vo l.  9 ,   No .   3 Sep tem b er   2 0 1 8   :   987     9 9 6   996   T h ex p er i m e n r es u lt  o f   t h d esig n ed   L E D   b u lb   e f f icie n c y   w a s   r elati v el y   clo s to   th e   r esu lt s   o f   s i m u latio n .   T h L E la m p   co u ld   w o r k   p r o p er ly   o n   DC h o u s b u s   v o ltag o f   4 8 VDC.  T h ex p er im e n r es u lt s   o f   lu m in o u s   f l u x   a n d   lu m i n o u s   e f f icac y   i n d icate   t h at  t h o b tain ed   L E la m p   d esi g n   m ee th e   cr iter ia  o f   lig h ti n r o o m .   T h h ea p r o d u ce d   o n   th d esi g n   co u ld   s til b ev ac u ated   w el th r o u g h   t h alu m i n u m   h ea ts i n k   u s ed   ev en   t h o u g h   its   m o u n ti n g   o n   t h r elate d   MCP C B   s till   w a s   n o t p er f ec t.        ACK NO WL E D G E M E NT S     T h au th o r s   w o u ld   li k to   th a n k s   t h P o w er   S y s te m   E n g i n e er in g   a n d   E n er g y   Ma n ag e m e n R esear c h   Gr o u p   ( P s ee m R G )   a n d   t h I n ter n atio n al   Scie n ti f ic  P u b licat io n   O f f ice  o f   Un i v er s i tas  B r aw ij a y a,   I n d o n esia ,   f o r   en ab lin g   t h d is s e m i n atio n   o f   th i s   r esear ch   r es u lts       RE F E R E NC E S   [1 ]   T e c h a k it ti ro K,   P a tu m tae w a p ib a S ,   W o n g p a ib o o l   V ,   T h re e v it h a y a n o n   W . ,   " Ro a d m a p   f o im p lem e n tatio n   o f   DC   s y ste m   in   f u tu re   h o u se s , "   2 0 0 8   1 3 th   In tern a ti o n a Co n f e re n c e   o n   H a r m o n ics   a n d   Q u a li ty   o f   P o w e r .   2 0 0 8 ,   p p .   1 5.   [2 ]   T a u f ik ,   M u sc a re ll a   M . ,   " De v e lo p m e n o f   DC  h o u se   p ro to ty p e a s   d e m o n stra ti o n   sites   f o a n   a lt e rn a te  so lu ti o n   t ru ra e lec tri f ica ti o n , "   2 0 1 6   6 th   In t e rn a ti o n a A n n u a En g i n e e rin g   S e m in a (In A ES ) .   2 0 1 6 ,   p p .   2 6 2 2 6 5 .   [3 ]   Ka k ig a n o   H,  No m u ra   M ,   Ise   T . ,   " L o ss   e v a lu a ti o n   o f   DC  d istri b u ti o n   f o re sid e n ti a h o u se c o m p a re d   w it h   AC  s y ste m , "   T h e   2 0 1 0   I n tern a ti o n a P o w e El e c tro n ics   Co n f e re n c e   -   E CCE  A S I A .   2 0 1 0 ,   p p .   4 8 0 4 8 6 .   [4 ]   Kim u ra   N,  M o riza n e   T ,   O m o ri  H.,   " P o w e m a n a g e m e n u n it   f o DC  f e e d e (DC  S m a rt  Ho u se ), "   2 0 1 2   I n tern a ti o n a l   Co n f e re n c e   o n   Re n e w a b le E n e rg y   R e se a r c h   a n d   A p p li c a ti o n s (IC RERA ) .   2 0 1 2 ,   p p .   1 5.   [5 ]   M a n su T M NT ,   Ba h a ru d i n   NH ,   A li   R. ,   " Op ti m a siz in g   a n d   e c o n o m ic  a n a l y sis  o f   se l f - c o n su m e d   so lar  P V   sy ste m   f o a   f u ll y   DC  re sid e n ti a h o u se , "   2 0 1 7   IEE E   4 th   I n tern a ti o n a l   Co n f e r e n c e   o n   S m a rt  In stru m e n tatio n ,   M e a su re m e n t   a n d   A p p li c a ti o n   (ICS I M A ) .   2 0 1 7 ,   p p .   1 5.   [6 ]   Ka k ig a n o   H,  M i u ra   Y,  Ise   T . ,   " Co n f ig u ra ti o n   a n d   c o n tro o f   a   DC  m i c ro g rid   f o re sid e n ti a h o u se s,"   2 0 0 9   T ra n s m issio n   &   Distrib u ti o n   Co n f e r e n c e   &   Ex p o siti o n A sia   a n d   P a c if i c .   2 0 0 9 ,   p p .   1 - 4.   [7 ]   L ian g   K.,   " De sig n   o f   DC  L i g h Bu lb   f o DC  Ho u se   P ro jec t, "   T h e sis  p ro jec t.   S a n   L u is  Ob isp o ,   CA Ca P o ly   S tate   Un iv e rsit y 2 0 1 2 .   [8 ]   Am in   M,  A ra fa t   Y,  L u n d b e rg   S ,   M a n g o l d   S . ,   " A n   e f f i c ien a p p li a n c e   f o lo w   v o lt a g e   DC  h o u se , "   2 0 1 1   IEE E   El e c tri c a P o w e a n d   En e rg y   Co n f e r e n c e .   2 0 1 1 ,   p p .   3 3 4 3 3 9 .   [9 ]   Ca b a M . ,   " DC  Ho u se   M o d e De sig n   a n d   Co n stru c ti o n , "   S e n i o p r o jec t.   S a n   L u is  Ob isp o ,   C A :Cal  P o ly   S tate   Un iv e rsit y 2 0 1 2 .   [1 0 ]   Na v a b M J.,   " Eff icie n 4 8 V   Bu c k   M o d e   L ED  Driv e De li v e r 5 0 m A , "   L in e a T e c h n o l o g y   M a g a z in e .   Ja n u a ry ,   2 0 0 8 .   h tt p :/ /w ww . li n e a r. c o m .   [1 1 ]   Ep istar  Co .   E P IS T A LA L a u n c h e d   a   Ne w   P latf o rm   to   A c h iev e   3 . 0 V   W h it e   L ED  Ch ip   a 1 A   Op e ra ti o n .   Oc to b e r   2 0 1 1 .   h tt p :/ /w ww . e p istar.co m . t w /_ e n g li sh /0 4 _ p r/ 0 2 _ d e tail. p h p ? S I D= 2 9   [1 2 ]   L in e a Tec h n o lo g y .   LT 3 5 9 0 ,   4 8 V   B u c k   M o d e   L ED  Driv e i n   S C7 0   a n d   2 m m   x   2 m m   D F Da tas h e e t.   h tt p : // ww w . li n e a r. c o m .   [1 3 ]   BS N.  En e rg y   Co n se rv a ti o n   i n   a   L ig h ti n g   S y ste m   (in   Ba h a sa   In d o n e sia ).   I n d o n e sia n   Na ti o n a l   S tan d a rd iza ti o n   Bo a rd .   Ja k a rta:  2 0 0 1 .   [1 4 ]   M u h a im in . ,   " L ig h ti n g   T e c h n o lo g y   (in   Ba h a sa   In d o n e sia ), "   Ba n d u n g P T . Re f ik a   A d it a m a 2 0 0 1 .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.