Provocari in designul celor mai noi Led-uri de mare rezolutie

31 IANUARIE 2007

Introducere
Timp de decenii, “umilele” diode luminiscente, sau LED-urile, au devenit omniprezente în multe aplicaţii, iar specificaţiile lor de proiectare sunt atât de familiare tuturor încât majoritatea proiectanţilor abia le mai acordă a doua privire.
Dar apariţia unui nou tip de LED şi descoperirile tehnice recente au adus din nou familia LEDurilor în lumina reflectoarelor.
Noua generaţie de LED-uri de 1,3 şi 5 W cu puterea de 10 până la 15 ori mai mare decât a LED-urilor standard aduc odată cu ele propriile dificultăţi de proiectare, iar alegerea microcontrolerului potrivit pentru comanda lor nu mai este o sarcină uşoară, aşa cum era odată.
Pentru a demonstra nivelele de comandă mai ridicate necesare, tabelul de mai jos prezintă valorile tipice de tensiuni şi curenţi de comandă pentru trei LED-uri de putere.

Tabelul 1.
Există mai multe opţiuni pentru drivere, referinţe de tensiune, controlul bateriei şi monitorizarea temperaturii şi combinaţia cea mai potrivită de periferice, în funcţie de mai mulţi factori.
Creşterea puterii LED-ului necesită o creştere corespunzătoare a posibilităţilor la nivelul dispozitivului de comandă. Un LED de 5W care solicită un curent de 700mA la peste 7V pentru strălucire maximă, este cu totul altceva faţă de un LED standard, care consumă numai 20mA la 1,4V.
Se impune o analiză mai atentă a posibilităţilor de răcire a diodei, atât în etapa de proiectare mecanică cât şi în cea de realizare a layout-ului plăcii. Atingerea temperaturii critice va afecta şi intensitatea strălucirii dispozitivului, deoarece
aceasta se poate diminua cu până la 35% când corpul componentei ajunge să depăşească
temperatura ambiantă cu 120°C. Temperatura critică a LED-ului afectează şi lungimea de
undă a radiaţiei emise de dispozitiv, fiind posibile deplasări în spectru de la până la 4 – 9nm pentru creşteri ale temperaturii cu 100°C.
Pentru gestionarea regimului lor special de funcţionare, LED-urile necesită anumite stabilizatoare de tensiune pentru alimentare şi monitorizare.
Suplimentar, dacă LED-urile trebuie să lumineze mai intens (semnalizare) sau mai
puţin intens (ambianţă) corespunzător cerinţelor utilizatorului, atunci ele au nevoie de un mic microcontroler pentru controlul circuitului de alimentare.
La început trebuie stabilită cea mai potrivită topologie pentru driver şi apoi trebuie
cercetat care microcontroler dispune de perifericele corespunzătoare.

Drivere liniare
Circuitele care comandă LED-uri de mare putere pot fi comparate cu orice driver de mare putere, cu accent pe control liniar şi eficienţă.
Liniaritatea este o condiţie evidentă dacă se doreşte controlul intensităţii LED-ului şi chiar dacă echipamentul nu este alimentat de la baterie, ne interesează eficienţa sa din prisma temperaturilor ridicate pe care le implică driverele
de putere de mai mulţi Waţi.

Figura 1

Majoritatea topologiilor pot fi încadrate în două categorii principale: liniare şi în comutaţie. În timp ce topologiile liniare prezintă avantajul simplităţii, cele în comutaţie pot fi mult mai eficiente. Atât topologiile liniare cât şi câteva modele din cele în comutaţie trebuie examinate pentru a ne da seama ce periferice sunt necesare.
Un driver de curent liniar se compune dintr-un amplificator operaţional, un tranzistor de putere şi un rezistor – senzor de curent. (vezi figura 1.) Din figură se poate vedea că driver-ul liniar este un circuit simplu cu numai un minim necesar
de periferice. Singurele componente sunt amplificatorul operaţional, MOSFETul şi rezistorul senzitiv.
Driver-ul liniar are dezavantajul unei eficienţe reduse. Dacă circuitul driver are acces la un radiator de dimensiuni destul de mari, atunci driver-ul liniar poate fi cel mai potrivit pentru aplicaţie. În majoritatea cazurilor însă, driver-ele
liniare sunt rareori luate în consideraţie pentru acest tip de aplicaţie, din cauza puterii disipate de tranzistor.

Drivere de putere în comutaţie
Driverele sursă de putere în comutaţie (Switch Mode Power Supply – SMPS) sunt proiectate pentru transferul energiei de la sursă spre sarcină printr-un inductor. Comutaţia se realizează prin intermediul unui tranzistor MOSFET
comandat de un semnal PWM. Prin varierea perioadei semnalului PWM (Pulse Width Modulation), pot fi reglate timpul de încărcare şi descărcare al inductorului, raportul de transfer al tensiunii de la intrare la ieşire.

Figura 2

Circuitul de feedback monitorizează tensiunea de ieşire şi ajustează factorul de umplere în aşa fel încât să menţină constantă tensiunea de ieşire. Pentru a controla curentul unui LED trebuie adusă o modificare minoră şi anume mărimea de feedback va fi curentul LED-ului în loc de tensiunea de ieşire. Sunt posibile câteva variaţii ale driverului SMPS (sursă de alimentare cu stabilizator în comutaţie).
Un driver SMPS tipic, pentru a obţine curentul de comandă al LED-ului, foloseşte un circuit extern cu ieşire de tensiune variabilă şi un stabilizator
în comutaţie. (vezi figura 2.)
Un amplificator operaţional a fost adăugat pentru a ridica nivelul de tensiune
al senzorului de curent până la nivelul referinţei interne de tensiune
al stabilizatorului în comutaţie. În orice caz, pentru că referinţa internă de tensiune a stabilizatorului este fixă, singura modalitate de a varia curentul de ieşire este prin modificarea raportului rezistorilor R1 şi R2.

Figura 3

Un alt exemplu presupune utilizarea unui controler cu comutaţie programabilă (PSMC) care îndeplineşte aceleaşi funcţii cu unitatea de control PWM. Acest periferic este foarte similar cu un driver sursă de tensiune în comutaţie, cu excepţia faptului
că este controlat de un microcontroler, iar tensiunea de referinţă poate fi obţinută de la o sursă externă, simplificând controlul intensităţii LED-ului. (vezi figura 3.) A treia configuraţie presupune trecerea căii de feedback printr-un software.

Figura 4

În cazul acestui driver, feedback-ul de curent este digitalizat de un ADC, valoarea PWM se modifică corespunzător şi noul semnal de comutaţie PWM este generat de un bloc hardware PWM periferic. (vezi figura 4.)

Figura 5

A patra şi ultima configuraţie ce va fi analizată este un driver care face comutaţia pe baza unei simple frecvenţe variabile, adică este format dintr-un comparator de tensiune configurat ca un oscilator multivibraţii.
În această topologie, generarea feedback-ului şi a PWM-ului sunt combinate într-un singur circuit comparator care modifică sincronizarea PWM-ului pentru a menţine
un curent mediu egal cu nivelul de la intrare. (vezi figura 5.)

Generarea nivelului tensiunii de comandă
Cu doar două excepţii, schemele pentru circuitele driver vor necesita un nivel de tensiune continuă variabil pentru controlul curentului de ieşire din driver. Pentru aceasta, microcontrolerul trebuie să aibă un periferic pentru conversia digital / analogică (DAC) pentru controlul driverului. O modalitate de a genera nivelul de tensiune continuă de control este să generăm un semnal PWM, controlat de microcontroler, care este apoi filtrat printr-un filtru extern trece jos RC pentru obţinerea tensiunii continue dorite.

Semnalul PWM de comandă al driverului poate fi generat fie de un periferic PWM on-cip, fie de un software, şi pentru că nivelul de comandă PWM generează o tensiune de control pentru driver, nu driver-ul PWM în sine, acesta poate opera la o frecvenţă mult
mai mică. Oricum, nu se ţine cont că răspunsul driverului va fi condiţionat de timpul de răspuns al celui de-al doilea filtru RC PWM. O metodă alternativă este de a obţine nivelul de comandă direct cu un DAC sau cu un poteţiometru digital. Ambele dispozitive
generează tensiunea de ieşire prin directa scalare a tensiunii de referinţă, şi pentru că nu au nevoie de filtre externe, timpul lor de răspuns nu va limita timpul de răspuns al circuitului driver.
Concluzia finală în generarea nivelului de tensiune de comandă este efectul pe care îl vor avea schimbările în tensiunea de alimentare a microcontrolerului asupra nivelului de tensiune de comandă. Dacă metoda aleasă generează propria tensiune de comandă prin scalarea tensiunii de alimentare a microcontrolerului, şi dacă acesta este alimentat
direct de la baterie, atunci nivelul de comandă se poate schimba când se deteriorează tensiunea generată de baterie. Dacă aceasta reprezintă o problemă, nivelul de control poate fi compensat software, cu menţiunea că sunt disponibile circuitele suplimentare
necesare pentru măsurarea tensiunii bateriei.

Monitorizarea temperaturii
Când topologia driverului a fost aleasă, singura cerinţă suplimentară pentru interfaţa proiectului este o modalitate de a monitoriza temperatura critică a LED-ului. În
acest scop sunt disponibile câteva tipuri de senzori şi fiecare are propriul format de ieşire. Microcontrolerul va avea nevoie de un periferic corespunzător pentru interfaţa cu senzorul.

Alegerea unui microcontroler
Odată ce s-au stabilit circuitul de comandă şi interfaţa de monitorizare termică, sarcina alegerii microcontrolerului cel mai potrivit este cât se poate de simplă:
Se face o listă cu toate perifericele dorite pentru intrare şi ieşire.
Se face o corespondenţă între perifericele solicitate şi cele oferite de producătorul de microcontrolere.
Dacă perifericul respectiv nu este disponibil on-chip, microcontrolerul va avea nevoie de interfaţa de comunicaţie cea mai potrivită (ex. I2C, SPI , sau alt software echivalent) pentru a comunica cu perifericul extern.
Tabelul 2 centralizează solicitările de periferice pentru toate driverele posibile, diferiţi senzori de temperatură şi informaţii suplimentare pentru controlul circuitului.

Concluzie
Alegerea unui microcontroler pentru comanda noilor LED-uri de mare putere nu mai reprezintă o sarcină simplă. Combinaţia optimă de periferice depinde de factori multipli cum ar fi costul, dimensiunea, topologia driverului, opţiunea de monitorizare a bateriei, de afişare a temperaturii, şi alte intrări / ieşiri suplimentare solicitate.
Suplimentar, câteva funcţii tradiţionale implementate hardware pot fi simulate software, ceea ce constituie o metodă mai avantajoasă din punctul de vedere al costului. Beneficiind de o abordare organizată şi o planificare în avans, sarcina alegerii microcontrolerului cel mai potrivit pentru comanda LED-urilor de putere nu
trebuie să fie dificilă.

de Keith Curtis, Microchip Technology, Inc.
www.microchip.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre