Záblesky LED ve světle systémů strojového vidění

Systémy strojového vidění využívají pro zajištění skutečně rychlých snímků potřebných v celé řadě aplikací zpracovávajících data velmi krátkých záblesků intenzivního zdroje světla. Taková řešení např. sledují rychle se pohybující pásové dopravníky a svižně přitom kontrolují etikety a třeba i defekty. Strojové vidění se během přiblížení a detekce pohybu běžně spoléhá na záblesková zařízení s infračervenými nebo laserovými LED. A velmi rychlé a obtížně detekovatelné záblesky s LED, se kterými snímají pohyb a zachytávají a také ukládají příslušné záběry, generují rovněž bezpečnostní systémy.

Obrázek: Příklad řešení strojového vidění na průmyslovém pásovém dopravníku. Inspekční systémy využívají při svém pohybu mnoha různých rychlostí, kterým se technologie zábleskových zařízení musí svou rychlostí a čistými výstupy umět přizpůsobit

Ve všech takových aplikacích však stojíme před jedním těžkým úkolem. Potřebujeme totiž vytvořit krátkodobé (tj. v řádu mikrosekund) průběhy pro fotografické blesky s LED buzenými velmi vysokými proudy, které však budou následovány relativně dlouhou časovou prodlevou, 100 ms nebo i více než jednu vteřinu. Tvorba krátkých obdélníkových signálů pro záblesková zařízení s LED, které pak budou oddělovat dlouhé periody nečinnosti, však není ničím jednoduchým. A s budicími proudy pro diody nebo jejich celé řetězce rostoucími nad 1 A, zatímco se doba sepnutí LED zkracuje až na mikrosekundy, náročnost ještě poroste. Řada budičů LED s podporou velmi rychlé PWM nemusí účinně zvládat delší časové prodlevy spolu s krátkodobými proudovými nárazy, aniž by přitom nedocházelo ke zhoršení průběhu obdélníkového signálu potřebného k náležitému vysokorychlostnímu zpracování obrazu.

Vlastní řešení záblesků s LED

Naštěstí zde máme obvody LT3932, vysokorychlostní budiče LED, které zábleskovým systémům kamer strojového vidění a jejich řetězcům diod nabízí proudy až 2 A, a to i za předpokladu dlouhých přerušení po dobu jedné vteřiny, hodiny, dne nebo snad ještě více. Speciální řešení obvodů LT3932 udržuje pro účely našich blesků řídicí smyčku, resp. výstupní kondenzátor, v nabitém stavu, a to navzdory dlouhým prodlevám. Po navzorkování stavu výstupu a také kondenzátorů řídicí smyčky pokračují obvody LT3932 po dobu delší nečinnosti s udržovacím dobíjením těchto součástek a kompenzují přitom typické parazitní proudy, se kterými jiné budiče LED již nepočítají.

Chráněná technologie pro záblesková zařízení nabývá v případě obvodů LT3932 na významu při paralelním řazení budičů s cílem dosáhnout ještě většího proudu LED. Požadovaná podoba zůstane společně s integritou zachována. Na obr. 1 pak vidíme, jak jednoduše lze paralelně zapojit dvojici budičů a vykrýt přitom zábleskovému zařízení odběry 3 A. V úvahu přitom připadají návrhy až do 4 A.

Obr. 1 Paralelním spojením obvodů LT3932, v tomto případě 1,5A budičů svítivých diod, vytváříme 3A pulzy LED pro systémy strojového vidění s dlouhými prodlevami v porovnání se standardními kmitočty stmívání s PWM

Požadavky na záblesková zařízení s LED kladené ze strany systémů strojového vidění budou daleko náročnější, než aby je šlo naplnit se standardními budiči s PWM stmíváním. Většina špičkových budičů LED je navržena tak, aby zajistila řízení jasu s PWM stmíváním na kmitočtu pulzně-šířkové modulace alespoň 100 Hz. Důvod je prostý – nižší frekvence již může lidské oko vnímat jako nepříjemné mihotání nebo poblikávání, a to i za předpokladu, že jsou průběhy pro diody obdélníkového tvaru a opakují se. Na kmitočtu 100 Hz dostáváme teoretické maximum doby nečinnosti okolo 10 ms. Pokud je vše navrženo správně, ztrácí budič LED během takové doby na svém výstupním kondenzátoru jen minimum náboje. Řídicí smyčka proto může začít pracovat s přibližně stejným stavem, v jakém se nacházela na konci posledního aktivního pulzu PWM. Reakce i náběh proudu indukčností se tak mohou pro diody spolu s dalším aktivním pulzem PWM odehrávat svižně, opakovatelně a s minimální prodlevou. S delšími odstupy, tj. pro frekvence nižší než 100 Hz, však již budeme riskovat ztrátu náboje výstupního kondenzátoru způsobenou parazitními proudy a zabráníme tak rychlé odezvě při opětovné aktivaci LED.

Paralelním řazením za vyšší proudy

Budiče LED pracují jako proudové zdroje regulující proud dodávaný svítivým diodám. Vzhledem k tomu, že průtoky směrem k výstupu uvažujeme pouze v jednom směru, dokážeme paralelně spojit větší počet budičů LED a dílčí přírůstky na zátěži sčítat. Proudové zdroje navíc nepotřebujeme chránit pro případ opačně orientovaných průtoků některým z měničů nebo z titulu nepřizpůsobených výstupů. Regulátory napětí naproti tomu nejsou již ze své podstaty pro sdílení proudu vhodné. Pokud se totiž všechny pokusí stabilizovat výstupní napětí v jednom bodu a jejich zpětnovazební sítě vykáží byť jen nepatrné rozdíly, nemusíme se opačně orientovanému proudu regulátorem vyhnout.

Budič LED udržuje svůj výstupní proud bez ohledu na sousední zdroje, které mohou přispívat dalšími přírůstky sčítanými na zátěži výstupu. Paralelní řazení budičů svítivých diod je tak v zásadě jednoduché. Zábleskový systém pro LED složený ze dvou paralelně provozovaných budičů LT3932 dle obr. 1 tak může kupříkladu účinně ovládat čtveřici diod proudem 3 A při uvážení krátkých pulzů v délce 10 µs následovaných dlouhými časovými prodlevami přesně, jak je definuje systém strojového vidění. Každý z měničů LT3932 se v aktivní fázi PWM postará o jednu polovinu výsledného proudu tekoucího řetězcem diod. V dalším kroku vypínáme a ukládáme příslušný stav na výstupu. Prodleva může být krátká i dlouhá, stále bez jakéhokoli vlivu na opakovatelnost průběhů.

Paralelně navržená záblesková zařízení pro kamery se svou jednoduchostí během delších prodlev nápadně podobají samostatným měničům. Takové měniče totiž budou na konci posledního aktivního pulzu PWM sledovat sdílené výstupní napětí a v takovém stavu udržovat nabitý i výstupní kondenzátor. A to i dlouhodobě. Každý z měničů od společné zátěže odpojí příslušný MOSFET (PWM) a výstupní kapacitu, které kvůli parazitním ztrátám energie dodává proud, udržuje nabitou přibližně na úrovni posledního napěťového stavu. Díky malému udržovacímu proudu tak ošetříme jakékoli ztráty takových kapacit provázané s delšími prodlevami. Když pak obdržíme další aktivační pulz PWM, MOSFETy každého z měničů budou aktivovány a výstupní kapacity pokračují přibližně na stejné úrovni jako v případě posledního pulzu. Mohlo přitom uplynout 10 ms, ale třeba i celý den.

Paralelní budiče LED LT3932 ovládající čtveřici diod proudem o velikosti 3 A spolu s pulzy pro kameru strojového vidění v délce 10 µs vidíme v akci na obr. 2a a 2b. Pulzní průběhy máme u diod rychlé a s ostrým přechodem, přičemž je jedno, zda u PWM uvažujeme prodlevu v délce 10 ms, tj. 100 Hz, nebo jednu vteřinu, tedy 1 Hz. To se v systémech strojového vidění náramně hodí.

Obr. 2 Časové průběhy zábleskového fotografického systému z předchozího obrázku zachycujícího paralelně řazené budiče LED vypadají totožně bez ohledu na délku prodlevy (PWM). Pozorujeme, že 10µs pulz následující po 10 ms (a) a také po jedné vteřině (b) bude stejný. A stejný výsledek dostaneme s obvody LT3932 i po jednom dni, nebo dokonce ještě delším přerušení

Když je proudu stále málo

Paralelní řazení budičů LED se nemusí omezovat pouze na dva měniče. Bude tak možné propojit tři nebo i více zdrojů a dodávat přitom ještě větší proudy se stále ostrými hranami. V systému nemáme žádnou jednotku Master či Slave, takže veškeré měniče zajišťují stejné množství proudu a zátěž sdílí rovným dílem. Doporučuje se, aby každý z paralelně řazených budičů LED využíval stejného synchronizačního taktu a zůstával ve fázi. U všech měničů tím rovnoměrně ošetříme otázku zvlnění na výstupních kapacitách a takové proudy již nepotečou zpět nebo mezi různými měniči. Je důležité, aby pulzy PWM zůstaly ve fázi se synchronizačním taktem 2 MHz. Zajistíme tím obdélníkový charakter průběhů zábleskového zařízení s LED bez nežádoucího jitteru, což při zpracování obrazu umožní dosáhnout nejlepších výsledků.

Ukázkové zapojení obvodů LT3932 (DC2286A) bylo navrženo k buzení jedné nebo též dvou diod proudem o velikosti 1 A s využitím snižujícího budiče LED. Jak vyplývá z obr. 1, bude vše možné snadno upravit a rozšířit s ohledem na vyšší odběry, rostoucí napětí či paralelní provoz. Obr. 4 ilustruje, jakým způsobem spolu jednoduše propojíme dva takové obvody s cílem získat 3A pulzy v délce trvání 10 µs pro ovládání čtveřice diod ze vstupních 24 V. Z obrázku dále vyplývá, že pro potřeby testování lze za účelem výroby synchronizovaného hodinového signálu využít pulzní generátor. V rámci finálního systému strojového vidění se generování synchronizovaných pulzů Sync a PWM vyřeší již speciálním čipem. Přidáním dalších desek měničů DC2286A tak za přispění stejného postupu paralelního řazení dostaneme ještě větší proudové pulzy.

Obr. 4 Dvojici demo desek pro obvody LT3932 (DC2286A) paralelně snadno propojíme a vytváříme tak dle obr. 1 aplikaci zábleskového zařízení systému strojového vidění se svítivými diodami zatížitelnými proudem od 3 A do 4 A

Závěr

Systémy strojového vidění mohou při vytváření rychlých obdélníkových průběhů s vysokými proudovými odběry vyžadovanými při automatizovaném zpracování obrazu využívat paralelně řazených budičů LED. Spojením několika měničů – budičů svítivých diod LT3932 s chráněnou technologií pro záblesková fotografická zařízení budeme pole působnosti rozšiřovat směrem k vyšším zátěžím. 3A nebo ještě větší pulzy generované v řádu mikrosekund pak paralelním zapojením měničů LT3932 získáme i v případě delších prodlev. Časové průběhy zábleskového zařízení se svítivými diodami zůstanou obdélníkového charakteru a bez jitteru, bez ohledu na délku intervalu mezi jednotlivými záblesky.