Inteligentní řízení LED osvětlení

Osvětlení s diodami LED přináší zcela nový způsob využití světla a s podporou inteligentního ovládání a míchání jednotlivých barev otevírá nové možnosti pro vývojáře. V kombinaci s DSC (Digital Signal Controller) pak mohou přinést revoluci nejen do aplikací z oblasti automobilového průmyslu, v podobě řízení předních či zadních světlometů, ale mohou pomoci i při návrhu tzv. state-of-the-art světelných show, které mohou jakoukoliv veřejnou budovu proměnit v umělecké dílo.

Unikátní kombinace libovolného ovládání, možnosti stmívání a dlouhé životnosti, umožňuje LED měnit barvu světla, a to navíc s lepší účinností, nižšími náklady a snadnou dostupností. Obvody DSC podporují efektivní řízení LED a přesnou kontrolu nad produkovanou barvou, stejně jako komunikací s vnějším světem. Všechny tyto funkce dávají projektantovi vysokou úroveň svobody a možnost vývoje diferencovaných LED svítidel nové generace.

Vyšší jas, větší složitost

Jednoduché nízkopříkonové LED indikátory jsou dnes součástí většiny produktů a všichni konstruktéři jsou velice dobře obeznámeni s jejich designem: K jejich použití stačí vzít libovolný zdroj napětí a rezistor s takovou hodnotou, aby proud tekoucí LED byl kolem 5 mA. Připojení k vývodu GPIO mikrokontroléru pak dává vývojáři možnost s LED libovolně blikat. Nicméně jednoduchý návrh LED osvětlení ztrácí svou krásu s použitím výkonových a vysoce svítivých LED, které vyžadují proud vyšší než 350 mA. Zde jsou již vývojáři nuceni kontrolovat aktuální proud LED, aplikovat jeho závislost na teplotě a pamatovat také na teplo produkované každou jednotlivou LED.

Inteligentní řízení proudu

Výkonné LED vyžadují relativně vysoký, konstantní proud, zajišťující požadovaný jas a barvu. Obr. 1 ukazuje úměrnou závislost světelného toku LED na proudu v propustném směru (IF) LED. Právě kvůli této závislosti je pro dosažení konzistentní barvy a světelného výkonu zásadní konstantní proud. Při použití jednoduchého sériového odporu získáme proud LED v propustném směru dle následující rovnice:

IF = (VSource − VF)/R

Jakmile se změní hodnota napájecího napětí (VSource), změní se i proud tekoucí LED, což okamžitě způsobí změnu v množství produkovaného světla. LED proto musí být řízeny zdrojem, který aktivně reguluje protékající proud.

Obr. 1 Světelný tok je úměrný protékajícímu proudu

Řízení teploty

Z typické závislosti LED vyplývá, že napětí v propustném směru (VF) se v závislosti na vzrůstající teplotě zvyšuje, a to i v případě, že proud tekoucí diodou je regulován na konstantní úroveň. Obr. 2 ukazuje, jak se v závislosti na napětí polovodičového přechodu diody mění i proud tekoucí diodou, a ukazuje, proč je řízení proudu LED mnohem důležitější než kontrola úbytku napětí v propustném směru.

Obr. 2 Změny v úbytku napětí ovlivňují protékající proud

Velmi výkonné diody LED produkují svým provozem rovněž velké množství tepla, které může vést k významnému snížení životnosti diod a případnému předčasnému selhání. Aktivní řízení proudu diodou umožňuje stanovit úroveň oteplení pro každý jednotlivý blok na základě aktuálního proudu a odhadnutého napětí v propustném směru. Případně lze v aplikaci použít teplotní čidla, která nám dále poskytnou možnost sledování aktuální teplotní situace a hlídání překročení teploty.

Přesná kontrola barev

Skutečnost, že diody LED mohou téměř okamžitě měnit svůj světelný výkon, z nich tvoří ideální prvky pro svítidla, u kterých je kladen požadavek na rychlou změnu barvy. Kombinací červené, zelené a modré LED lze vytvořit jakoukoli barvu, vždy pouze jednoduchou úpravou jasu každé diody. Jednou z možností, jakou toho lze snadno docílit, je zvýšení nebo snížení proudu. Ovšem problémem je skutečnost, že změnou napětí v propustném směru se mění nejen jas, ale také se mírně mění barva LED, což vadí v aplikacích, kde je nutné zachovat správnou barvu.

Obr. 3 Pulzně řízený proud mění vnímaný jas

Alternativní přístup nabízí použití impulzního proudu, který poskytuje stejný účinek řízení jasu, ovšem již bez vlivu na produkovanou barvu. Přerušovaná červená čára na obr. 3 reprezentuje průměrnou hodnotu proudu LED řízené pulzním proudem, který vytváří změnu jasu při zachování konstantního proudu a díky tomu se vnímaná barva nemění.

Digitální ovládání stmívání

Použití digitálních signálových kontrolérů – DSC (Digital Signal Controller) výrazně zjednodušuje stmívání za použití techniky pulzního řízení proudu. Vyspělé PWM moduly, obsažené v mnoha moderních DSC, lze bez problému použít pro generování PWM signálů, které jsou vhodné pro řízení výkonových bloků LED. Tyto PWM moduly mají řídicí registry, které lze rychle přepsat a snadno tak změnit průměrný výstupní proud LED za účelem stmívání. Úroveň jasu je přitom definována libovolným číslem mezi nulou a hodnotou, která představuje plný jas. Chceme-li tak kupříkladu nastavit 50% úroveň jasu LED u čítače čítajícího od nuly do 255, je nutné použít hodnotu spouštění PWM při dosažení čísla 128. V tu chvíli pak výstupní vývod PWM vypne a odstraní tím proud LED. Jakmile pak čítač dosáhne své maximální hodnoty 255, je vývod opět aktivován a proces PWM pokračuje od začátku. Celý tento proces se přitom pro vytvoření pulzního proudu potřebného pro řízení jasu LED periodicky opakuje, jak je znázorněno na obr. 4. Obvykle se jako základní frekvence pro zajištění stmívání používá hodnota nad 400 Hz zajišťující dostatečně rychlé změny, které jsou lidským okem nepostřehnutelné.

Obr. 4 Digitální řízení stmívání

Digitální ovládání LED

Kromě stmívání jsou však obvody DSC schopny poskytnout aktivní řízení napájení při současné kontrole proudu tekoucího v propustném směru výkonné LED. Díky vysoké inteligenci DSC lze pro napájení LED využít i snižující/zvyšující topologii spínaného napájecího zdroje (SMPS).

Snižující (Buck) topologie se používá v případech, kdy je napájecí napětí vyšší než napětí v propustném směru řízené LED nebo LED řetězce. V této topologii, která je znázorněna na obr. 5, řídí PWM signál spínač (Q) a úbytek napětí na snímacím rezistoru (Rsns) odpovídá proudu tekoucího LED ve chvíli, kdy je spínač (Q) sepnutý. DSC pak jako komparátor porovnává napětí přes snímací rezistor (Rsns) s úrovní konfigurovatelné interní reference, která je úměrná požadovanému proudu. Pokud je toto napětí vyšší než nastavení interní reference, analogový komparátor ihned vypíná PWM výstup a tím otevírá spínač (Q). V tuto chvíli rovněž dochází k vybití energie akumulované v indukčnosti (L) před diodu (D) a LED. V dalším procesu PWM signálu je opět spínač (Q) sepnut a celý proces se opakuje. Vyspělé funkce DSC umožňují tímto způsobem aktivně regulovat proud tekoucí LED i bez jakéhokoliv zatížení procesoru.

Obr. 5 Snižující topologie spínaného zdroje pro řízení jedné LED nebo celého řetězce

Zvyšující topologie se používá v případě, kdy je napájecí napětí nižší než napětí řízené LED nebo řetězce LED, jak je znázorněno na obr. 6. Stejně jako v případě snižující topologie i zde PWM signál z DSC řídí spínač (Q) a proud tekoucí LED je opět snímán na sériovém rezistoru (Rsns). Pro snímání se zde však obvykle používá integrovaný modul ADC převodníku, jehož vzorky odpovídají úbytku napětí na snímacím rezistoru, reprezentující aktuální proud LED. Tato hodnota se pak používá v obvodu proporcionální integrační regulační smyčky (PI) sestavené v softwaru DSC, jejímž výsledkem je úprava pracovního cyklu spínače (Q) na základě ADC a softwarové referenční hodnoty odpovídající požadovanému proudu. Realizace řídicí PI smyčky v softwaru DSC poskytuje vysokou flexibilitu a možnost použití široké škály řídicích metod. Díky minimálnímu zatížení procesoru PI regulační smyčkou je však možné jediným DSC řídit i velké množství LED řetězců při zachování dostatečné výkonové rezervy pro zajištění podpory dalších funkcí.

Obr. 6 Řízení LED se zvyšující topologií

Digitální komunikace

DSC je dost výkonné na to, aby zvládalo řídit připojené LED a současně zvoleným komunikačním protokolem komunikovat s nadřazeným systémem i bez nutnosti použití samostatných komunikačních a ovládacích zařízení. Například standardní komunikační formát pro řízení osvětlení – DMX512 – používá standardní jednosměrnou komunikaci s jedním obvodem Master a více obvody Slave. Jeho prostřednictvím dochází k distribuci jednotlivých příkazů pro řízení osvětlení v délce 512 bajtů v paketu a individuálním řešením pro každé zařízení nebo uzel. Velmi rychlé zpracování umožňuje DSP realizovat rychlé regulační smyčky, jako jsou již zmíněné PI regulátory pro zvyšující měniče, s nejvyšší prioritou, zatímco na pozadí může probíhat komunikace standardem DMX512. Navíc vzhledem k tomu, že se komunikace provádí v rámci softwaru, není nijak omezena pouze na jediný protokol, ale může umožnit řízení světla pomocí libovolného komunikačního systému.

Menší náročnost na technologii

Stejně jako všechny nové technologie i digitální řízení LED představuje pro konstruktéry a vývojáře zcela nový obor, jehož náročnost může být snížena při použití digitálního řízení LED osvětlení, vývojových kitů, referenčních návrhů a aplikačních poznámek. Jejich součástí jsou obvykle bezplatné zdrojové kódy a podrobná dokumentace k hardwaru umožňujícímu využití vysoké flexibility a podpory různých napájecích topologií. Například DM330014 LED Lighting Development Kit společnosti Microchip má budiče LED umístěny na samostatné desce, což konstruktérům umožňuje snadné experimentování s různými typy obvodů a řešení.

Vysoká účinnost a schopnost rychlé regulace jasu LED zajišťuje, že tato technologie bude i nadále vedoucím směrem v řadě inovativních aplikací vyžadujících rychlé řízení jasu a barvy produkovaného světla. Rozšířením o inteligentní řízení a komunikaci, kterou nám poskytují právě obvody DSC, mohou návrháři nová LED svítidla vybavit řadou rozšířených funkcí a funkcí s vysokou úrovní diferenciace či známým wow-faktorem.