«Да будет свет!»

Светодиодные лампы и светильники широко внедряются в нашу повседневную жизнь на производстве, на улицах и в жилых домах. Для эффективного управления светодиодами компания Fujitsu Semiconductor предлагает воспользоваться новыми решениями.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Для эффективного управления светодиодами компания Fujitsu Semiconductor предлагает воспользоваться микроконтроллерами серии MB95430 семейства 8FX. Это микроконтроллеры с операционными усилителями и аналоговыми компараторами, которые позволяют реализовать эффективные системы питания и управления светодиодами.

За сравнительно короткий период времени яркость светодиодов изменилась от слабого проблеска, который подходил только для целей индикации, до яркого высокоэффективного луча с эффективность светового потока свыше 100 лм/Вт. Со временем это может привести к снижению популярности компактных люминесцентных или энергосберегающих ламп. К тому же, сегодня открылись интересные возможности применения светодиодов в областях,  оккупированных ранее лампами накаливания, галогенными и газоразрядными лампами. Лампы общего освещения, дизайнерские светильники, фонари и фары автомобилей — во всех этих изделиях уже сегодня можно обнаружить светодиоды. Но эффективность светоотдачи сама по себе не является решающим фактором, при проектировании систем освещения нужно учитывать еще и несколько важных аспектов управления.
Стандартные светодиоды, используемые для индикации, управляются, как правило, последовательно включенным резистором при низких напряжениях питания. Поскольку большая часть энергии сжигается резистором, такие светодиоды могут использоваться только в слаботочных приложениях, но для мощных сверхъярких светодиодов, используемых в энергосберегающих системах освещения, такой подход не годится.
Вольтамперная характеристика светодиода, как и его обычного «коллеги», экспоненциально растет при превышении прямого напряжения смещения. Незначительные колебания рабочего напряжения могут существенно изменить силу тока и легко перегрузить светодиод по рассеиваемой мощности. В то же время прямое напряжение смещения сильно варьируется от светодиода к светодиоду, поэтому сами светодиоды необходимо питать от источника стабильного тока. В простейшем случае можно использовать источник постоянного напряжения и последовательный резистор, как сказано выше, но это непрактично при больших токах, особенно потому, что требования к компенсации напряжения в сети экспоненциально возрастут. На рисунке 1 изображена осциллограмма работы микроконтроллера (МК).
Наилучшим подходом будет создание простого, линейного источника стабильного тока на JFET-транзисторе или линейном регуляторе с соответствующими резисторами. Это позволит стабилизировать мощность излучения светодиода в широком диапазоне входных напряжений. Тем не менее, регулятор «сжигает» тем больше энергии, чем выше разница между входным напряжением и напряжением прямого смещения светодиода. По этой причине и эти схемы зачастую не подходят для мощной светодиодной техники.

 

Рис. 1. Осциллограмма работы микроконтроллера (верхний график: ток светодиода; нижний график: ШИМ-сигнал на затворе FET, активный уровень — низкий)

 

Переключение и охлаждение

Использование переключающих (импульсных) регуляторов помогает преодолеть эти проблемы. Различные топологии, такие как повышающие, понижающие преобразователи или их комбинации (повышающие-понижающие, SEPIC, и т.д.) вступают в игру в зависимости от соотношения между входным и выходным напряжениями. Их особенность в том, что входящая энергия сначала сохраняется в виде магнитной энергии, накопленной в катушке индуктивности, а затем уже передается на нагрузку. Потери, которые наблюдаются в такой схеме (коммутационные, омические, магнитные и т.д.), при правильной настройке значительно ниже, чем если бы они были в схеме с обычным линейным регулятором. К недостаткам такого подхода можно отнести более высокие требования к электромагнитной совместимости, большую сложность и большое число электронных компонентов. Последний недостаток можно свести к минимуму с помощью современных МК, которые были оптимизированы специально для таких задач.
Понижающие преобразователи (см. рис. 2) очень популярны в светодиодной технике ввиду их простой конструкции и высокой степени гибкости. Их легко использовать в качестве источника стабильного тока, что часто исключает необходимость применения  выходного фильтрующего конденсатора. Регулируемый ток через светодиод будет в этом случае эквивалентен току в катушке индуктивности и будет естественно непрерывным. При этом не только экономится один компонент, но и улучшается переходная характеристика регулятора, т.к. в противном случае весь ток потечет в ранее незаряженный фильтрующий конденсатор, а светодиод не загорится, пока напряжение на конденсаторе не превысит его напряжения прямого смещения. Это преимущество особенно важно, когда речь идет о регулировании яркости свечения светодиодов с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

 

а)  

б)
в)

Рис. 2. Понижающий преобразователь: а) принципиальная схема; б) гистерезисное управление с рециркуляцией напряжения; в) гистерезисное управление током светодиода через pFET-транзистор

 

Если требуемое напряжение светодиода или светодиодной цепочки больше чем входное напряжение, то использовать понижающий преобразователь напрямую станет невозможным. Поэтому в подобной ситуации для питания промежуточной общей цепи светодиодов используют повышающий преобразователь, а затем уже понижают напряжение для отдельного светодиода с помощью понижающих преобразователей. Дополнительно могут применяться корректоры коэффициента мощности на повышающем участке для увеличения числа питаемых светодиодов.

Быстрое переключение

При использовании МК в цепях управления преобразователями часто применяют ШИМ для установки требуемого уровня выходного напряжения. Для стабилизации уровня выходного напряжения используют обратную связь, когда часть выходного напряжения через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) МК поступает обратно, а затем повышается или понижается коэффициент заполнения ШИМ на основе номинальных и фактических значений. Глубина регулировки полосы пропускания зависит от ряда факторов, таких как частота дискретизации, конструкция преобразователя и программное обеспечение МК. Кроме того, этот метод истощает ресурсы МК и требует наличия скоростных таймеров и АЦП для точной подстройки напряжения.
По этим причинам очень часто используется другой метод: гистерезисный или релейного управления. В этом случае фактическое значение напряжения или тока сравнивается с опорным напряжением, а результат этого сравнения используется как прямой сигнал управления транзистором регулятора. Если сравнение осуществляется с помощью аналогового компаратора, процесс регулирования происходит автономно. В результате частота переключения зависит от значения индуктивности, входного и выходного напряжения, времени переключения компаратора и параметров гистерезисной петли, поэтому она может меняться даже в процессе работы схемы. Совместно с МК такая схема характеризуется минимальным временем реакции и позволяет обнаруживать обрывы и короткие замыкания цепей, а также легко отслеживать входное напряжение, частоту и скважность сигнала компаратора.
Из множества периферийных устройств МК серии MB95430 семейства 8FX компании Fujitsu Semiconductor нужно отметить четыре независимых аналоговых компаратора, которые могут использоваться, например, для создания понижающих источников стабильного тока для светодиодов на принципах релейного управления. Все входы и выходы компараторов доступны извне, а связи между ножками микросхемы и компараторами могут программно отключаться. Процесс загрузки МК не влияет на работу компараторов, что значительно сокращает время выхода источника в рабочий режим. При этом яркость светодиодов может легко регулироваться простым переключением выводов компараторов наложенным сигналом ШИМ. В активной фазе ШИМ светодиод всегда работает на стабильном токе, что предотвращает изменение цвета из-за флуктуаций рабочего тока. Кроме того, МК серии MB95430 (см. рис. 3) оснащены операционным усилителем с программируемым коэффициентом усиления со свободно конфигурируемыми входами и выходами.

 

Рис. 3. Блок-схема микроконтроллеров серии MB95430

Семейство 8FX состоит из универсальных и недорогих 8-разрядных МК с числом контактов от 8 до 80, которые обыгрывают по технологии своих 16- и 32-разрядных соплеменников за счет: надежной сдвоенной flash-памяти со временем хранения данных 20 лет и числом циклов перезаписи 100 тыс. Из-за этого внешняя EEPROM во многих случаях становится ненужной, в то время как монитор тактовых сигналов, сторожевой таймер и детектор пониженного напряжения питания обеспечивают большую надежность. На борту также имеются калибруемый RC-генератор (±2% при –40…85°С), различные таймеры, независимые основные и дополнительные тактовые генераторы, однопроводной интерфейс отладки, энергосберегающие режимы, 10-разрядный АЦП и многое другое.
Некоторые производные включают специальные периферийные устройства, такие как контроллеры жидко-кристаллических индикаторов или ШИМ-таймеры для управления бесколлекторными электродвигателями постоянного тока, что снижает количество внешних компонентов и загрузку МК. Все микросхемы семейства 8FX поддерживают прог­рам­мирование через встроенный однопроводной интерфейс отладки уже в конечной системе, а многие производные программируются внешними параллельными программаторами. В качестве альтернативы компания Fujitsu Semi­con­­ductor предлагает различные программы для удобства серий­ного программирования изделий заказчиков.
Работать с МК семейства 8FX легко и недорого, поскольку BGM-адаптер для подключения к однопроводному интерфейсу отладки входит в состав многих стартовых комплектов (например, MB2146-420-01-E), а наряду с полной, неограниченной и бесплатной средой разработки Softune Workbench с С-компилятором, ассемблером, линкером и отладчиком МК позволяют решать широкий круг задач. Доступен и широкий спектр руководств по применению и примеров кода.
Специально для МК серии MB95430 компания Fujitsu Semiconductor предлагает стартовый комплект SK-95430-32PCM-LED (см. рис. 4) со встроенным МК MB95F434 и тремя 1-Вт светодиодами — красным, зеленым и синим. Каждый из светодиодов управляется отдельным независимым понижающим преобразователем, контролируемым собственным аналоговым компаратором МК. Для связи с внешним миром имеется USB-интерфейс (встроенный конвертер UART-USB) и интерфейс RS-485, который может использоваться с протоколом DMX512, наиболее популярным в световом оборудовании.

 

Рис. 4. Стартовый комплект SK-95430-32PCM-LED и графический пользовательский интерфейс

Стартовый комплект может работать через USB, но с пониженным током светодиодов, либо от дополнительного источника питания постоянного тока напряжением 5 В. Многие параметры свечения светодиодов можно изменять через специальную терминальную программу, либо через графический интерфейс пользователя. Он взаимодействует со стартовым комплектом через USB/UART и может использоваться для контроля опорного тока каждого светодиода и уровня яркости их свечения. Кроме того, предусмотрена возможность выбора из цветовой палитры цветов, которые будут создаваться светодиодами.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Rambler's Top100