Controlul inteligent al iluminării cu LED-uri

1 OCTOMBRIE 2012

Controlerele de semnal digital adaugă control inteligent şi comunicaţie iluminării cu LED-uri, explică Charlie Ice de la Microchip Technology Inc.

Iluminarea cu LED-uri transformă calea prin care lumina era utilizată şi deschide noi oportunități pentru proiectanţi în sensul de a putea adăuga dispozitivelor de iluminare control inteligent şi mixare culori. Utilizarea DSC-urilor conduce la inovaţii în aplicaţii de la iluminarea internă a cabinei şi stopuri în industria auto, până la cele mai recente spectacole de lumină ce pot transforma o clădire publică într-o lucrare de artă.
Combinaţia unică dintre eficienţă, capacitatea de reglare a strălucirii şi durata mare de viaţă permite LED-urilor să facă dispozitivele de iluminare cu schimbarea culorilor mai eficiente, economice şi accesibile. Adăugarea unui controler de semnal digital (DSC) permite comanda eficientă a LED-urilor, un control precis al culorii, dar şi comunicaţia cu lumea exterioară. Împreună, aceste caracteristici oferă proiectantului libertatea de a dezvolta foarte diferenţiat generaţiile de dispozitive de iluminare cu LED-uri.

Mai mare strălucire, mai mare complexitate
LED-urile indicatoare de joasă pu­tere se regăsesc în numeroase produse şi majoritatea inginerilor sunt familiari cu designul lor simplu: tot ceea ce au nevoie este o sursă de

Figura 1: Fluxul luminos este proporţional cu curentul direct

tensiune şi o rezistenţă serie de va­loare potrivită pentru a ţine curentul prin LED la o valoare tipică de mai puţin de 5mA. Conectarea la un pin GPIO al unui microcontroler oferă proiectantului abilitatea de a face LED-ul să clipească. Totuşi, simplitatea proiectării cu LED-uri de­vine considerabil mai complexă atunci când sunt poziţionate împre­ună LED-uri de înaltă strălucire şi curent ridicat, cu un curent direct de 350mA. Aici proiectantul are de-a face cu provocarea de a controla curentul, în ciuda schimbărilor de tempe­ratură şi a căldurii extreme generate chiar de LED-uri.

Control inteligent al curentului
LED-urile de înaltă strălucire au nevoie să păstreze un curent relativ ridicat constant pentru a menţine strălucirea şi culoarea. Figura 1 demonstrează cu fluxul luminos al LED-ului este proporţional cu IF, curentul direct prin LED. Un curent direct constant este crucial pentru a obţine o ieşire luminoasă cu o culoare consistentă. Utilizarea unei simple rezistenţe în serie cu LED-ul însemnă că relaţia ce determină curentul direct este:

(IF = (VSource – VF) / R)

Dacă sursa de tensiune variază (VSource), curentul direct se va schimba, cauzând variaţii ale can­tităţii de lumină emise de LED. De aceea LED-ul trebuie comandat de o sursă de tensiune capabilă să stabilizeze curentul direct.

Control temperatură
Tipic, tensiunea directă (VF) pe LED va creşte odată cu creşterea tempe­raturii, chiar dacă curentul direct este constant şi stabilizat. Figura 2 pre­zintă cum un curent direct stabilizat incorect va avea variţii liniare cu tensiunea directă pe LED, şi demon­strează de ce controlul curentului direct din LED este mai important decât controlul tensiunii directe.

Figura 2: Schimbările tensiunii directe afectează curentul direct

LED-urile de mare putere generează căldură, ceea ce poate conduce la o scădere semnificativă a duratei de exploatare şi posibil la defectări premature. Controlul activ al curentului direct prin LED permite determinarea încălzirii pentru fiecare proiect bazat pe curentul direct urmărit şi tensiunea directă estimată.
Utilizarea de senzori de temperatură furnizează de asemenea opţiunea monitorizării pentru situaţii posibile de supratemperatură.

Control precis al culorii
Faptul că LED-urile îşi pot schimba ieşirea luminoasă aproape instantaneu le face ideale pentru dispozitive luminoase ce trebuie să îşi schimbe rapid culoarea. Un grup de LED-uri roşii, verzi şi albastre pot fi făcute să creeze orice culoare în mod simplu prin reglarea strălucirii fiecărui LED. O posibilă abordare este simpla creştere sau scădere a curentului direct pe fiecare LED. Problema acestui lucru este că schimbarea tensiunii directe nu numai că schimbă strălu­cirea, dar schimbă uşor şi culoarea LED-ului, ceea ce reprezintă o proble­mă în aplicaţii ce necesită o culoare exactă.

Figura 3: Curent direct sub formă de pulsuri

O abordare alternativă este aceea a utilizării unui curent sub formă de pulsuri, ceea ce conduce la acelaşi efect al reglării strălucirii, dar fără a produce schimbare de culoare. Figura 3 prezintă cu linie punctată roşie media curentului în pulsuri ce conduce la variaţia strălucirii, dar menţinând un curent constant prin LED, astfel încât culoarea percepută este neschimbată.

Control digital al reglării strălucirii
Utilizarea unui controler de semnal digital (DSC) simplifică puternic reglarea strălucirii utilizând tehnica utilizării curentului sub formă de pulsuri. Modulele avansate PWM de pe multe DSC-uri pot fi utilizate pentru a genera semnale PWM ce pot fi utilizate să controleze nivelul de putere de pe LED. Aceste module PWM sunt caracterizate de intrări de supra­reglare ce pot închide ieşirile PWM rapid şi precis, permiţând controlul curentului prin LED şi implicit controlul strălucirii acestuia.

Figura 4: Controlul digital al luminozităţii

Reglarea strălucirii este cuantificată printr-un număr între 0 şi o valoare ce reprezintă strălucirea maximă. Pentru a regla LED-ul la o strălucire de 50%, un numărător va număra de la 0 la 255 şi declanşează supra­reglarea PWM atunci când numără­torul ajunge la 128. Ieşirea PWM se închide apoi pentru a opri curentul prin LED. Când numărătorul atinge maximul său de 255, el se reiniţiali­zează la 0, iar PWM-ul este reactivat. Procesul se repetă pentru a crea curentul sub formă de pulsuri, care este necesar pentru a regla strălu­cirea LED-ului, după cum este pre­zentat în figura 4. Tipic este utilizată o frecvenţă de peste 400 HZ pentru a avea siguranţa că frecvenţa de reglare este suficient de rapidă astfel încât ochiul uman să nu observe inter­mitenţe în lumina LED-ului.

Comanda digitală a LED-urilor
Suplimentar controlului strălucirii, un DSC poate oferi o sursă de tensiune activă pentru a controla curentul direct pe un LED de înaltă strălucire. Topologiile de surse de tensiune în comutaţie coborâtoare şi ridicătoare de tensiune pot fi utilizate pentru alimentarea LED-urilor, amândouă putând beneficia de inteligenţa DSC.
O topologie coborâtoare de tensiune este utilizată acolo unde tensiunea directă pe LED sau pe grupul de LED-uri este mai mică decât tensiunea oferită de sursă. În acest tip de configuraţie, prezentată în figura 5, un semnal PWM controlează comutatorul Q şi tensiunea prin rezis­tenţa de sens (Rsns) corespunde curentului direct pe LED atunci când comutatorul Q este închis. Comparatorul DSC-ului este utilizat pentru compararea tensiunii prin rezistorul Rsns cu o referinţă internă configurabilă proporţională cu valoarea necesară a curentului direct prin LED.

Figura 5: Topologie coborâtoare de tensiune pentru comanda unui LED sau a unui grup LED-uri

Dacă tensiunea detectată este mai mare decât referinţa internă, comparatorul analogic dezactivează des­chiderea comutatorului Q de către PWM, ceea ce cauzează des­cărcarea curentului stocat de inductorul L prin dioda D şi prin LED.
La începutul următoarei perioade PWM, comutatorul Q se închide, iar procesul începe din nou. Caracte­risticile avansate ale DSC-urilor permit ca această metodă să stabilizeze activ curentul prin LED fără a solicita suplimentar CPU.
O topologie ridicătoare de tensiune este utilizată acolo unde tensiunea directă pe LED sau pe grupul de LED-uri este mai mare decât tensiunea oferită de sursă, după cum se poate observa în figura 6. Ca şi topologia coborâtoare de tensiune, PWM-ul controlează comutatorul Q, iar curentul direct este monito­rizat pe rezistenţa de sens (Rsns).
Modulul ADC al DSC-ului eşanti­onează tensiunea prin rezistenţa de sens, ce corespunde curentului direct prin LED. Această valoare este apoi utilizată de o buclă de control PI, executată software pe DSC, pentru a regla factorul de umplere pe comutatorul Q, pe baza citirii ADC şi a unei valori de referinţă software corespunzătoare curentului necesar. Prin implementarea buclei de control PI în software, DSC-ul furnizează flexibilitatea utilizării unei varietăţi mari de metode de control în buclă.
Minimizând solicitarea CPU pentru bucla de control PI, înseamnă că DSC poate controla mai multe grupuri de LED-uri, putând avea suficiente resurse pentru caracteristici suplimentare.

Comunicaţie digitală
Un DSC are suficientă capabilitate de procesare pentru a controla inteligent dispozitivul cu LED-uri, în vreme ce în acelaşi timp să implementeze un protocol de comuni­caţie fără necesitatea unui dispo­zitiv de comunicaţie şi control se­parat. Spre exemplu, protocolul de control al iluminării DMX512 utilizează o comunicaţie unidirec­ţională standard de la un Master la mai multe echipamente Slave pentru a trimite comenzi unor dispo­zitive de iluminare individuale cu o viteză de 512 byte de date pe pachet, cu adresare individuală către fiecare dispozitiv sau nod.

Figura 6: Topologie ridicătoare de tensiune pentru comanda unui LED sau a unui grup de LED-uri

Procesarea de mare viteză permite unui DSP executarea ca prio­ritate de top a buclei de control rapide, precum controlerul PI pentru convertorul ridicător de tensiune, rulând în acelaşi timp în background protocolul de comu­nicaţie precum DMX512.
De vreme ce comunicaţia este implementată software, ea nu este limitată la un singur protocol, ci poate permite controlul dispozitivelor de iluminare utilizând orice schemă de comunicaţie.

Reducerea curbei de învăţare
Precum orice nouă tehnologie, controlul digital al LED-urilor se prezintă proiectanţilor cu o curbă de învăţare cu pantă ridicată ce poate fi redusă prin utilizarea unor kituri de iluminare cu LED-uri controlate digital. Acestea includ tipic cod sursă gratuit şi documentaţie hardware, oferind de asemenea platforme de alimentare energetică interschimbabile pentru a suporta diferite tehnologii de putere. De exemplu kitul de dezvoltare de iluminare cu LED-uri Microchip DM330014 este caracterizat de plăci daughter cu driver LED ce permit proiec­tanţilor să experimenteze mai multe platforme de comandă pe aceeaşi placă.
Eficienţa ridicată şi capabilitatea de reglare rapidă a iluminării cu LED-uri asigură că această teh­nologie va continua să aducă inovaţii în aplicaţii de mixare a culorii şi alte aplicaţii de iluminare. Prin adăugarea controlului inteligent şi comunicației oferite de DSC, proiectanţii pot echipa dispozitivele de iluminare cu LED-uri cu caracteristici şi funcţionalităţi îmbunătăţite ce pot furniza înalte nivele de diferenţiere şi un factor de succes considerabil în aplicaţii de iluminare.

www.microchip.com

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