FőoldalKonstruktőrLED-es világítástechnika fényerőtompítással
2018. február 14., szerda ::

LED-es világítástechnika fényerőtompítással

A kapcsolóüzemű, fényerőtompításra alkalmas LED-meghajtókat többnyire a jó hatásfok és a LED-áram precíz szabályozhatósága jellemzi. Jellegükből adódóan természetesen a fényerőtompítás is a funkcionalitás része, amivel nemcsak energiamegtakarítás érhető el, hanem még látványos fénytechnikai effektek létrehozására is van lehetőség. Egy 8 bites mikrokontrollerrel (MCU-val) már lehetséges olyan implementációt megalkotni, amely kiterjed a kommunikációs, vezérlési és funkciófejlesztési megoldásokra is. Továbbá a magfüggetlen perifériák integrációja jelentős rugalmasságot biztosít a tisztán analóg vagy ASIC-es implementációkhoz képest, innovációs lehetőségei pedig számottevően elősegítik a termékdifferenciálási törekvéseket. A haladó, korszerű üzemeltetés jegyében továbbá számos olyan funkció áll rendelkezésre, ami kiválóan szolgálja az intelligens világítástechnikai megoldások fejlesztését (például prediktív meghibásodásmegelőzés és karbantartás-ütemezés, energiafelhasználás monitorozása, színkibocsátás és hőmérséklet megfigyelése, távkommunikáció és távvezérelhetőség stb.)

Noha az újgenerációs LED-meghajtók a korábbi generációkhoz képest számos előnnyel rendelkeznek, implementációjuk során a fejlesztők kihívásokba ütközhetnek. Aggodalomra azonban semmi ok, hiszen mire cikkünk végére érünk, világossá válik, hogyan lehet egy 8 bites mikrokontrollerrel ezeket a tervezési akadályokat könnyedén legyűrni, és egy olyan, nagy teljesítményű, kapcsolóüzemű LED-meghajtó megoldást-megalkotni, ami lényegesen túlszárnyalja az előző generációs rendszerek tudását.

Egy 8 bites mikrokontroller akár négy LED-csatornát is függetlenül vezérelhet, ami a legtöbb, kereskedelmi forgalomban elérhető LED-meghajtó vezérlőről nem mondható el. Az 1. ábrán látható LED-fényerőtompítók a mikrokontroller saját perifériáiból létrehozhatók. Mindegyik ilyen fényerőtompító-alrendszer egyedi, független, zárt csatornával rendelkezik, amely képes a kapcsolóüzemű konverter vezérlésére a CPU oldaláról minimális beavatkozás mellett vagy semmilyen egyéb intézkedést nem igényel. Ez teljes egészében vagy nagy részben meghagyja a CPU kapacitását, így az szabadon elláthatja a felügyeleti, kommunikációs stb. funkciókat a rendszerben.

1. ábra. Négy LED-lánc a 8 bites Microchip PIC16F1779 mikrokontroller vezérlése alatt

A LED-fényerőtompító-alrendszer

A 2. ábrán látható módon a LED-meghajtót (amelynek alapját egy áramnemű, feszültségnövelő konverter szolgáltatja) a LED-fényerőtompító-alrendszer vezérli. Ez az alrendszer többnyire a mikrokontroller magfüggetlen perifériáiból (CIP – Core Independent Peripherals) áll össze, például a komplementer kimeneti generátorból (COG – Complementary Output Generator), a digitális jelmodulátorból (DSM – Digital Signal Modulator), komparátorból, programozható fűrészjel-generátorból (PRG – Programmable Ramp Generator), műveleti erősítőből (OPA – Operational Amplifier), valamint a 3-as számú impulzusszélesség-modulátorból (PWM3 – Pulse-Width Modulator3). A teljes alrendszer e magfüggetlen perifériák és a mikrokontroller további integrált perifériáinak kombinációjából áll össze, mint például a fix feszültségű szabályozókból (FVR – Fixed-Voltage Regulators), digitális-analóg átalakítókból (DAC – Digital-to-Analog Converter), vagy a capture/compare/PWM modulokból (CCP).

A Q1 jelű MOSFET-et a COG táplálja nagyfrekvenciás kapcsolóimpulzussal, lehetővé téve az energiaátvitelt és meghajtóáramot biztosítva a LED-lánc számára. A COG-kimenet kapcsolási periódusát a CCP és a kitöltési tényező állítja be, amely állandó értéken tartja a LED-áramot. A komparátor mindannyiszor kimeneti impulzust szolgáltat, valahányszor az RSENSE1 ellenálláson eső feszültség meghaladja a PRG modul kimenetét. A műveleti erősítő kimenetéről, a visszacsatoló körből kerül ki, lejtéskompenzációra való konfigurálása okán 50%-nál nagyobb kitöltési tényező esetén ellentételezi a szubharmonikus gerjedés hatását. A műveleti erősítőmodul hibajel-erősítőként (EA – Error Amplifier) kerül implementálásra, Type II-es kompenzátorkonfigurációban. A fix feszültségű szabályozó képezi a DAC bemenetét, feszültségreferenciát szolgáltatva a műveleti erősítő neminvertáló bemenete számára, mégpedig az állandó LED-áram-specifikáció függvényében.

A fényerőtompítás megvalósítása érdekében a PWM3-at a CCP kimenet modulátoraként hasznosítja a rendszer, miközben meghajtást biztosít a Q2 jelű MOSFET számára a LED-ek gyors ki- és bekapcsolásához. A modulációt a DSM modul segítségével valósítja meg a rendszer, a modulált kimeneti jel pedig a COG-ra kerül. A PWM3 impulzusszélesség függvényében változó kitöltési tényezőt szolgáltat, amely szabályozza az átlagos LED-áramot, ami a gyakorlatban a LED fényerejének változtatását jelenti.

A fényerőtompító-alrendszer nem képes a hagyományos LED-meghajtó-vezérlő teljes kiváltására, viszont képes a legáltalánosabb problémák megoldására, amelyre a LED-meghajtó is hivatott. Ezeket a problémákat most sorra vesszük, és megvizsgáljuk, hogy a fényerőtompító-alrendszer milyen minőségben képes helytállni ilyen tekintetben.

2. ábra. A LED-fényerőtompító-alrendszer felépítése

Villódzás

A villódzás kiküszöbölése egyike azoknak a kihívásoknak, amelyekkel a fényerőtompító LED-meghajtók tervezése során szembesülhetünk. Szándékosság esetén a villódzásra még akár érdekes fényhatásként is tekinthetünk, ellenkező esetben azonban jelentősen ronthatja a megvilágítás minőségét. A villódzás elkerülése és az átmenetmentes fényerőtompítási élmény elérése érdekében a fényerőtompítást a teljes, 100%-ot jelentő fénykimenettől a legalsó fényerőhatárig folyamatos tompítási hatást keltve kell megvalósítani. Mivel a LED azonnal reagál a meghajtóáram megváltozására, és csillapodási hatásról nem beszélhetünk, a meghajtónak kellően sok fényerőtompítási köztes állapottal kell rendelkeznie ahhoz, hogy a szem ne vegye észre a fényerő megváltozását. Ennek érdekében a LED fényerőtompító-alrendszer a PWM3 segítségével végzi a fényerőtompítást. A PWM3 egy 16 bites felbontású impulzusszélesség-modulátor, amely 100% és 0% között 65 536 lépésközzel rendelkezik. Ez elegendő a feltűnésmentesség érzetének keltéséhez.

A LED-színhőmérséklet eltolódása

A LED-meghajtó a LED színhőmérsékletét is eltolhatja. Ez a színváltozás a felhasználó számára könnyedén szembetűnő lehet, és gyengíti a LED-es világítástechnikai termék kiválóságát igazoló tényeket. A 3. ábra egy tipikus PWM-es LED-fényerőtompítási hullámformát mutat. A LED kikapcsolt állapotában a LED-meghajtó áram fokozatosan tűnik el a kimeneti kondenzátor töltöttségének és kisülésének megfelelően. Ez a színhőmérséklet eltolódásához, továbbá a LED megnövekedett disszipációjához is vezethet.

3. ábra. A LED tipikus fényerőtompítási hullámformája

A kimeneti kondenzátor lassú kisülése egy terheléskapcsoló beiktatásával kiküszöbölhető. Például a 2. ábrán a Q2 jelölésű MOSFET tölti be a terheléskapcsoló szerepét, a fényerőtompító-alrendszer pedig szinkronizáltan kapcsolja le a COG PWM kimenetet és Q2-t a kikapcsolási áramgörbe kiküszöbölése és a LED gyors kikapcsolása érdekében.

Áramcsúcs

Kapcsolóüzemű konverterrel végzett LED-meghajtás esetén a LED-áram szabályozása érdekében visszacsatoló áramkör használatára kerül sor. Ám fényerőtompítás során a visszacsatoló áramkör nem megfelelő működésvezérlés esetén áramcsúcsot hozhat létre (lásd 3. ábra, ILED görbe). A 2. ábra tanúsága szerint a LED bekapcsolt állapotában a LED-re áram kerül, az RSENSE2 ellenálláson eső feszültség pedig a hibajel-erősítőre kerül. Amikor a LED kikapcsol, a LED-re nem kerül áram, az RSENSE2 ellenálláson pedig nem esik feszültség. A fényerőtompítás során ebben az inaktív állapotban a hibajel-erősítő kimenete maximálisra nő, amely a hibajel-erősítő kompenzációs hálózatának túltöltését eredményezi. Ha a modulált PWM ismét bekapcsol, a helyreálláshoz néhány ciklusnyi idő szükséges, ezalatt pedig az ábrán látható csúcsáram kerül a LED-re, amely az alkatrész élettartama szempontjából kifejezetten káros jelenség.

Ennek elkerülése érdekében a LED fényerőtompító-alrendszer lehetővé teszi PWM3 használatát a műveleti erősítő felülíró forrásaként. Ha a PWM3 kimenet alacsony szinten van, a hibajel-erősítő kimenete háromállapotú, amely teljesen leválasztja a kompenzációs hálózatot a visszacsatoló hurokról, és megtartja a stabil visszacsatolás legutóbbi pontját a kompenzációs kondenzátorban tárolt töltéssel. Ha a PWM3 kimenet magas szinten van és a LED ismét bekapcsol, a kompenzációs hálózat újra felcsatlakoztatásra kerül, és a hibajel-erősítő kimeneti feszültsége azonnal a legutóbbi stabil állapotot jellemző feszültségre ugrik vissza (ami a PWM3 kimenet alacsony szintre kerülése előtt volt mérhető), a LED-áramot pedig szinte azonnal a helyes értékre állítja vissza.

Teljes értékű megoldás

Mint korábban említettük, a LED-es fényerőtompító-alrendszer minimális vagy abszolút nulla beavatkozással működhet a CPU oldaláról, így a magfüggetlen perifériák általi LED-vezérlés során a CPU olyan szabad kapacitás felett gazdálkodhat, amely más, fontos feladatok elvégzésére ad alapot. A mért bemeneti és kimeneti feszültség adatainak feldolgozása alapján az alacsony vagy magas feszültség melletti üzemzavar, túlfeszültség-védelem stb. védelmi funkciók implementálhatók, amely biztosítja, hogy a LED-meghajtó az elvárt specifikációknak megfelelően működjék, és a LED védelmet élvez az abnormális bemeneti és kimeneti események ellen. A CPU egy esetlegesen rendszerbe integrált szenzor hőmérsékletadatainak feldolgozására is képes, így kifinomult termikus menedzsmentfunkciók is megvalósíthatók. Sőt, a LED-meghajtó fényerőtompítási szintjének állításánál a CPU egy egyszerű külső kapcsoló vagy soros kommunikáció indítójeleit is fel tudja dolgozni. A LED-meghajtó paraméterei soros kommunikáció útján monitorozási, tesztelési stb. célokra külső eszközökre is elküldhetők. Az előbbiekben említett funkciókon túlmenően a fejlesztők saját intelligens megoldásokkal is felruházhatják terméküket, legyen szó akár kommunikációs (pl. DALI vagy DMX), akár például egyedi vezérlési metódusokról. A 4. ábra egy teljes értékű, kapcsolóüzemű, fényerőtompító LED-meghajtóra mutat megoldást, amelynek alapját a bemutatott LED-es fényerőtompító alrendszer szolgáltatja.

4. ábra. Kapcsolóüzemű LED-es fényerőtompító-meghajtó

Összefoglalás

A LED-es fényerőtompító-alrendszer segítségével jó hatásfokú, kapcsolóüzemű LED-meghajtó valósítható meg, amelynél jó hatásfok alatt több LED-lánc meghajtásának képességét, energiaellátási hatásfokát, a LED optimális teljesítménytartományban való üzemeltetését és intelligens rendszervezérlési és rendszerfelügyeleti funkciókat érthetünk.

A Microchip Technology Inc. honlapja

Tudomány / Alapkutatás

tudomany

CAD/CAM

cad

Járműelektronika

jarmuelektronika

Led technológia

Led technológia

Rendezvények / Kiállítások

Mostanában nincsenek események
Nincs megjeleníthető esemény