wersja mobilna
Online: 525 Niedziela, 2016.12.11

Technika

Monitorowanie termicznej równowagi świecących LED

poniedziałek, 10 stycznia 2011 15:29

Bezpieczne funkcjonowanie półprzewodnikowych źródeł światła w postaci LED, przy zachowaniu ich głównej zalety, jaką jest wysoka sprawność energetyczna, wymaga dokładnego monitorowania termicznej równowagi ich działania. Jest to trudny, wymagający i kosztowny aspekt projektowania lamp LED, ale warunkuje on ich bezpieczną i niezawodną pracę. Bez skutecznej stabilizacji temperatury złącza może dojść albo do zaniku świecenia, albo do zniszczenia lampy.

Rys. 1. Dwa podstawowe sposoby monitorowania temperatury LED za pomocą z nią sprzężonego rezystancyjnego czujnika NTC

Taką kontrolę umożliwia czujnik temperatury automatycznie ograniczający prąd zasilający LED przy wzroście temperatury półprzewodnika, co zmniejsza emisję ciepła, ale również i emisję światła. Zrównoważony w czasie stan termiczny LED jest osiągany wtedy, gdy energia jest z półprzewodnika odprowadzana z taką samą szybkością, z jaką jest generowana. Wówczas lampa może niezawodnie dostarczać światła przez bardzo długi okres działania.

Z uwagi na koszty, do termicznego monitorowania pracy diod LED dużej mocy używa się termicznie z nią sprzężonego rezystancyjnego termistora NTC. Powstające na nim napięcie jest silnie uzależnione od temperatury LED, dzięki czemu za pośrednictwem sterownika może służyć do regulacji prądu ją zasilającego. Temperaturę można mierzyć dwoma metodami. W pierwszym sposobie sprzężony z LED NTC wchodzi w skład dzielnika napięcia, zasilanego stałym napięciem.

Ze wzrostem temperatury rezystancja NTC maleje, maleje więc także napięcie dostarczane przez dzielnik. W drugiej metodzie przez NTC przepływa prąd o stałym i znanym natężeniu, a spadek na nim napięcia jest miarą temperatury LED. Podobnie jak w pierwszej metodzie, ze wzrostem temperatury ten spadek napięcia maleje. Obie metody pomiaru są zilustrowane na rysunku 1.

Przegrzanie czy uszkodzenie LED?

Rys. 2. Sygnalizacja stopnia obniżenia jaskrawości LED

W razie zmniejszenia się natężenia emitowanego przez LED światła, istotna jest świadomość, czy jest to skutkiem wzrostu temperatury, czy uszkodzenia LED. Przegrzewanie się diody, wywołane na przykład przez nieprawidłowy montaż lub wysoką temperaturę otoczenia wykraczającą poza dopuszczalną, powinno być wykrywane, a sterownik w takiej sytuacji powinien zredukować jasność świecenia tak, aby zapewnić poprawne warunki termiczne dla emitera światła.

Niemniej z punktu widzenia użytkownika gotowej lampy taki stan powinien zostać zasygnalizowany po to, aby w prosty sposób miał on możliwość sprawdzenia, czy wszystko jest w porządku z lampą, a ewentualny spadek jasności wynika ze starzenia się diod, a nie z innych przyczyn, na przykład przeciążenia termicznego. Taką funkcjonalność można zaimplementować w sterowniku, wykorzystując zamiast typowego układu sterującego przetwornicą DC-DC z kontrolerem PWM mikrokontroler lub układ PSoC, za pomocą którego można zrealizować sterowanie diodą i szereg funkcji monitoringu.

Do sygnalizacji niepoprawnych warunków pracy najłatwiej wykorzystać czerwoną LED małej mocy. Jest ona wyłączona, gdy główna LED świeci z pełną mocą. Jeśli temperatura emitera LED wzrasta, dodatkowa czerwona LED zaczyna świecić z natężeniem odpowiednim do wzrostu temperatury. Działanie to jest zilustrowane na rysunku 2. Przy maksymalnej dopuszczalnej temperaturze głównej LED, czerwony wskaźnik świeci z maksymalnym natężeniem.

Jeśli pomimo zmniejszenia do minimum mocy głównej LED, jej temperatura pozostaje zbyt wysoka, zostaje ona wyłączona, a czerwona LED migotaniem sygnalizuje alarm. Odpowiednie zamontowanie w obudowie lampy wskaźnikowej diody LED (np. w obudowie SMD) pozwala nie tylko powiadamiać użytkownika, który z pewnością dostrzeże czerwone światło, ale też próbować wykorzystać mało znaną właściwość diod LED, które mogą pracować jako fotodiody. Oświetlona światłem dioda LED małej mocy nierzadko jest wykorzystywana jako czujnik światła.

Rys. 3. Prosty kontroler LED i kontroler LED sterowany NTC z sygnalizatorem alarmowym

Nie ma on wprawdzie dużej czułości ani też nie charakteryzuje się dużą liniowością działania, taką jak specjalizowane fotodiody, ale w takim zastosowaniu wady te nie mają dużego znaczenia. Po pierwsze, światło lampy LED jest jasne i o dużym natężeniu, co oznacza, że sensor nie musi mieć dużej czułości. Poza tym dioda wskaźnikowa jest umieszczona blisko emitera. Czerwona dodatkowa dioda LED może zatem nie tylko sygnalizować sytuację alarmową, ale także dostarczać do sterownika zgrubnej informacji na temat jasności świecenia emitera.

Nie jest to element, który zasługuje na miano czujnika pomiarowego, ale biorąc pod uwagę, że nie wymaga to żadnej dodatkowej części układowej, warto rozważyć taką możliwość. Na rysunku 3 pokazano przykładowe dwa sterowniki LED mocy. W pierwszym prąd zasilający LED jest stabilizowany za pośrednictwem zwyczajnego rezystancyjnego czujnika prądowego. Sterownik ten jest wyposażony jedynie w najprostszy mechanizm chroniący przed nadmiernym wzrostem temperatury LED, wyłączający ją w takim przypadku całkowicie.

W drugim sterowniku oprócz stabilizacji prądu zasilania LED zastosowano funkcję jej ściemniania, monitorowanie temperatury i sygnalizację. Na rysunku do głównych elementów oznaczonych kolorem niebieskim dołączono dodatkowe, do kontroli temperatury i do alarmu, oznaczone kolorem czerwonym. Obwód rezystora i NTC, widocznych po prawej stronie sterownika, jest skonfigurowany zgodnie z wyżej omówioną pierwszą metodą pomiaru temperatury LED i regulacji natężenia emitowanego światła.

Rezystor i LED, widoczne po lewej stronie sterownika, są elementami sygnalizacji temperatury. Jaskrawość czerwonej LED jest sterowana za pośrednictwem modulacji szerokości impulsów (PWM). Sygnalizacja alarmu za pomocą czerwonej LED jest jedną z możliwych. Mając do dyspozycji mikrokontroler, można też zaimplementować cyfrowe łącze komunikacyjne, np. DALI (Digital Addressable Lighting Interface).

Regulacja jaskrawości

Rys. 4. Przykładowy algorytm monitorowania temperatury LED i sterowania jej jaskrawości

Pokazana na rysunku 4 sieć działań przedstawia prosty algorytm monitorowania temperatury LED i regulowania jej emisji światła, dostosowując ją do poziomu mieszczącego się w bezpiecznych granicach temperaturowych. Stopień pierwszy, "włączenie i inicjalizacja systemu", zapewnia start mikrokontrolera. Po włączeniu wyłącznika LED zostaje zasilona, rozpoczyna się emisja światła i pomiar temperatury. Stopień "LED świeci?" sprawdza, czy emisja nie została wyłączona z powodu zbyt wysokiej temperatury.

Jest to proste sprawdzenie bitu, który jest jedynką, gdy LED świeci, a jest zerem, gdy LED jest wyłączona. Przy pierwszym włączeniu bit jest jedynką, a LED jest włączona. Stopień "alarm" kontroluje sekwencję migotania alarmowej LED, gdy temperatura przekroczyła dopuszczalny poziom, a mikrokontroler wyłączył LED główną. Sąsiedni stopień "LED świeci?" dokonuje ponownego sprawdzenia. Jedynym sposobem wyjścia ze stanu alarmu jest wyłączenie i ponowne włączenie systemu.

Kolejny stopień "pomiar temperatury" dokonuje pomiaru temperatury za pomocą NTC. Ponieważ zależność rezystancji od temperatury jest nieliniowa, zmierzone napięcie jest porównywane z napięciami w tabeli przeglądowej, odpowiadającymi różnym temperaturom. Znaleziona wielkość temperatury będzie użyta w dwóch następnych stopniach. Stopień "temperatura dozwolona?" sprawdza, czy zmierzona temperatura LED mieści się w bezpiecznych granicach.

Gdy temperatura osiągnie zdefiniowaną wielkość maksymalną, system wyłączy LED. Jeżeli temperatura pozostaje w dopuszczalnych granicach, system będzie dalej testował stabilność temperatury. Stopień "wyłączenie LED" wyłącza świecenie LED przy zbyt wysokiej temperaturze. Test jest rozpoczynany wtedy ponownie przez stopień "LED świeci?". Stopień "temperatura zmieniona?" sprawdza, czy temperatura od ostatniego cyklu regulacji natężenia światła zmieniła się dostatecznie, aby można ją było zwiększyć lub trzeba było zmniejszyć.

Jeśli zmiana nastąpiła, kolejny stopień "temperatura wzrosła?" sprawdza, czy był to wzrost, czy spadek. Stopień "jaskrawość maksymalna?" sprawdza, czy LED świeci z maksymalną jaskrawością. Jeśli tak jest, system zawraca do stopnia "LED świeci?". W przeciwnym wypadku działa stopień "zwiększenie jaskrawości, obniżenie sygnalizacji", który o skonfigurowany w trakcie inicjalizacji przyrost zwiększa prąd w głównej LED, obniża w LED alarmowej, i testowanie rozpoczyna się od nowa.

Stopień jaskrawość minimalna zostaje uruchomiony, gdy stopień "temperatura wzrosła?" wykrył wzrost temperatury. Jeśli jaskrawość nie jest maksymalna, działanie przejmuje stopień "obniżenie jaskrawości, zwiększenie sygnalizacji". Jeśli jaskrawość osiągnęła poziom minimalny, działanie zostaje skierowane do stopnia "LED świeci?" i testowanie rozpoczyna się od nowa Stopień "obniżenie jaskrawości, zwiększenie sygnalizacji" obniża o skonfigurowany w trakcie inicjalizacji przyrost prąd w głównej LED i podwyższa w LED alarmowej, i od nowa rozpoczyna testowanie.

Opisana sieć działań ilustruje sekwencję, w której LED zostaje wyłączona aż do ponownego włączenia. Niewielkie jej uzupełnienie pozwala na monitorowanie temperatury do momentu osiągnięcia bezpiecznego poziomu, kiedy LED można będzie włączyć ponownie. (KKP)