wersja mobilna
Online: 540 Sobota, 2016.12.10

Technika

Mikrokontrolery w układach oświetleniowych

wtorek, 18 grudnia 2007 14:28

Na oświetlenie mieszkaniowe zużywa się 12% energii, a na komercyjne aż dwukrotnie więcej. Jasno z tego wynika, że zwiększanie sprawności oświetlenia przynosi znaczne oszczędności energii.

Mimo wielu zmian w technologii nadal około 95% energii elektrycznej wykorzystywanej do celów oświetlenia zamienia się na ciepło, a nie na światło.

Dlatego kluczem do rozwoju nowoczesnych systemów oświetleniowych jest dzisiaj sterowanie inteligentne, aktywnie minimalizujące straty energii. Systemy z wbudowanym inteligentnym sterowaniem, obejmującym sterowanie impulsowego zasilania, są zatem niezbędne do rozwijania sprawnego energetycznie oświetlenia przyszłości. Mimo wielu zmian ciągle chętnie używanymi źródłami światła ze względu na swój współczynnik odtwarzania koloru (color-rendering index, CRI) są żarówki. CRI źródła światła jest miarą jego zdolności do wiernego odtwarzania kolorów oświetlanego obiektu. Monochromatyczne źródło światła charakteryzuje CRI równy 0, ponieważ reprodukuje tylko jeden kolor, a żarówka CRI blisko 100, wartości maksymalnej możliwej. Wszyscy przywykliśmy w mieszkaniach do ciepłego, przyjemnego, światła żarówek. Dodanie do lampy wbudowanego procesora okazuje się nieskomplikowane (rys. 1). Zastosowanie zwykłego przyciemniania światła żarówek może przyczynić się do sporych oszczędności energii. A w razie, gdy nie jest potrzebne, można je po prostu wyłączyć. W układzie na rys. 1 użyto małego mikrokontrolera o sześciu wyprowadzeniach sterującego triakiem, za pośrednictwem którego natężenie światła jest zmieniane zmianą czasu przewodzenia w każdym z półokresów wejściowego napięcia zmiennego. W ten sposób triak dokonuje modulacji szerokości impulsów tego napięcia. Zwiększanie opóźnienia włączenia triaka zmniejsza natężenie świecenia żarówki (rys. 2). MCU monitoruje napięcie zmienne i odnajduje moment jego przejścia przez zero i od tego momentu odmierza opóźnienie włączenia przewodzenia.

Rys. 1. Stosunkowo prosty układ z mikrokontrolerem o sześciu wyprowadzeniach do sterowania triakiem, służącym do przyciemniania lampy.

Można uważać, że do sterowania triakiem mikrokontroler nie jest potrzebny, że do tego celu wystarczy układ opóźniający RC i diak. Użycie tego elementu ma jednakże szereg zalet. Dla umożliwienia przepływu prądu w triaku potrzeba określonego prądu bramki. Charakterystyczne dla triaka jest też podtrzymujące natężenie prądu. Gdy przepływający przez triak prąd przekroczy to natężenie, nawet zaprzestanie polaryzowania bramki nie przerwie jego przewodzenia. Oznacza to, że triak może zostać wzbudzony przez mikrosterownik całkiem krótkim impulsem bramki. Średnia za cykl wartość prądu w obwodzie polaryzacyjnym będzie wtedy bardzo mała, umożliwiając użycie w nim mniejszych i tańszych elementów. Mikrokontroler potrzebuje zasilacza 5V, za który może posłużyć rezystor 22kΩ, 1/4W i dioda Zenera, ponieważ pobiera on średnio tylko 500μA.

Jeżeli w układzie już jest mikrokontroler, można przydzielić mu dodatkowe funkcje, jak zdalne sterowanie, detekcja ruchu, czy uzależnienia czasowe. Oprócz tego można zlinearyzować przyciemnianie. Z powodu sinusoidalnego kształtu napięcia zmiennego, zależność natężenia światła od opóźnienia wyzwolenia triaka nie jest liniowa. Zaradzić temu można przez użycie tabeli przeglądowej do przetwarzania opóźnienia na natężenie światła. Jeśli potrzebne jest sterowanie układu za pomocą fotokomórki lub czujnika podczerwieni, fotoczujnik ten można zasilić z wyprowadzenia we-wy procesora, oszczędzając zasilacz 5V.

Oświetlenie cyfrowe

Dużo wydajniejszymi od żarówek źródłami światła są świetlówki. Chociaż nie emitują światła tak przyjemnego, z powodu niższego CRI, średnia sprawność energetyczna świetlówek jest około 10-krotnie wyższa od sprawności żarówek. Świetlówki są przeważnie używane w zastosowaniach komercyjnych, gdzie oszczędzanie kosztów energii jest konieczne. Z tego samego powodu stosuje się je jednak coraz częściej w mieszkaniach.

W statecznikach świetlówek dotychczas powszechnie używano obwodów magnetycznych, ale szybko zastępuje się je sprawniejszymi układami elektronicznymi.

Statecznik świetlówki musi stabilizować natężenie prądu przepływającego przez lampę i generować wysokie napięcie pozwalające na zapłon lampy po włączeniu napięcia zasilającego. Do kontrolowania natężenia prądu w świetlówce w impulsowych statecznikach używa się zwykle w szereg z lampą układu rezonansowego LC. Szeregowo z żarnikami włączony jest drugi kondensator (rys. 3), który pozwala na jednoczesne dostarczenie napięcia zapłonu.

Rys. 2. Opóźnianie momentu włączenia triaka, w stosunku do początku przebiegu napięcia, zmniejsza natężenie światła.

Oscylator fali prostokątnej o zmiennej częstotliwości z odpowiednim czasem martwym zapobiegającym przewodzeniu skrośnemu pobudza układ rezonansowy za pośrednictwem pary tranzystorów mocy, zasilanych napięciem stałym. Jego częstotliwość reguluje natężenie prądu w lampie. W celu jej zaświecenia do lampy i układu rezonansowego jest przykładana częstotliwość wysoka. Przez żarniki i kondensator CF przepływa prąd, który podgrzewa żarniki, umożliwiając zapłon. Wtedy częstotliwość zostaje zmniejszona, napięcie pomiędzy żarnikami szybko wzrasta, prąd w żarnikach maleje i następuje wyładowanie w gazie lampy. W trakcie świecenia lampy, częstotliwość oscylatora może służyć do regulowania natężenia prądu, a zatem i natężenia światła.

Prostownik i kondensator filtrujący są największymi elementami elektronicznego statecznika, przetwarzającymi napięcie zmienne w stałe, zasilające przetwornik rezonansowy. Niestety pobiera on prąd tylko w szczytach przebiegu zmiennego. Do zwiększenia sprawności i eliminacji prądowych harmonicznych elektronicznego statecznika jest potrzebna korekcja współczynnika mocy. Do układu korektora oraz do sterowania statecznikiem i jego kontrolowania z zewnątrz, często stosuje się oddzielne układy scalone. Jednak do cyfrowej realizacji wszystkich funkcji w stateczniku najlepiej nadają się szybkie mikrokontrolery lub też wersje z wbudowanymi funkcjami do przetwarzania sygnałów (rys. 4). W pokazanym układzie zastosowano dsPIC33F, ponieważ jego 16-bitowy procesor ma moc obliczeniową wystarczającą do równoczesnej korekcji współczynnika mocy, sterowania przetwornikiem rezonansowym zasilającym lampę i w razie potrzeby zapewni też obsługę zewnętrznych sygnałów sterujących.

Działanie układów korekcji współczynnika mocy można opisywać w różne sposoby. Polega ono na takim kształtowaniu prądu wejściowego, aby odwzorowywał sinusoidę napięcia wejściowego. Jeden z najczęściej używanych sposobów realizacji tego zadania jest związany z układem podwyższania napięcia. Prąd indukcyjności, a zatem i prąd wejściowy, może być kontrolowany współczynnikiem wypełnienia impulsów przełączających indukcyjność. W rezultacie prostowane napięcie zmienne jest podwyższane, zwykle do około 400V napięcia stałego. Zatem układ korektora jest stabilizatorem podwyższającym. Funkcja stabilizacji napięcia może być łatwo wykonywana przez cyfrową pętlę sterującą.

Rys. 3. Rezonansowy układ impulsowego statecznika kontroluje prąd płynący przez świetlówkę.

Stabilizator ten pełni specyficzną rolę. Jego wewnętrzna prądowa pętla sterująca, kontroluje kształt prądu w indukcyjności układu korektora współczynnika mocy. Z wyjścia napięciowej pętli sterującej do prądowej pętli sterującej jest wysyłane polecenie, ustalające natężenie prądu wejściowego. Ale przed wysłaniem do prądowej pętli sterującej polecenie to jest mieszane z próbką wyprostowanego napięcia wejściowego. Ten zmieszany sygnał wymusza zrównanie kształtu przebiegu prądu wejściowego z kształtem napięcia wejściowego (rys. 5).

Realizacja w pełni cyfrowego statecznika wymaga dwóch kanałów PWM. Jeden z tych kanałów steruje połączonym z lampą układem półmostkowym, a drugi steruje stabilizatorem podwyższającym KWM. Przetwornik analogowo-cyfrowy monitoruje dwa napięcia i dwa prądy. Napięcie stałe zasilania, wejściowe napięcie zmienne i prąd wejściowy są monitorowane dla funkcji korektora. Prąd w lampie jest monitorowany dla kontrolowania jasności lampy i wykrywania nieprawidłowości w jej działaniu.

Kontrolery typu PID są używane w algorytmie korekcji współczynnika mocy do stabilizacji stałego napięcia zasilania i prądu wejściowego. Działanie każdego z kontrolerów PID (i algorytmu korekcji) może być modyfikowane przez zmianę współczynników w oprogramowaniu. Wiele wydajnych mikrokontrolerów ma dostateczną moc obliczeniową do obsługi tych zadań.

Natężenie prądów mierzy się w układzie za pomocą zwykłych rezystorów włączonych szeregowo w obwody przełączników mocy. Obniża to koszt układu, ale uzyskanie danych wymaga dodatkowych zabiegów. Napięcie na tych rezystorach wykazuje prąd tylko w niektórych momentach cyklu działania PWM. Dlatego podstawa czasu PWM powinna wyzwalać pomiary przez przetwornik A/C automatycznie, aby rezystory szeregowe były próbkowane we właściwym czasie.

Dowolny kolor

Rys. 4. Zastosowanie wydajnego mikrokontrolera umożliwia realizację kompletnego statecznika świetlówki.

Do zastosowań, w których istotne są sprawność i trwałość oświetlenia, najlepiej nadają się dzisiaj diody LED dużej mocy. W sprawności energetycznej współczesne LED z powodzeniem rywalizują ze świetlówkami. Producenci LED mocy spodziewają się, że ich sprawność podwoi się w ciągu kilku najbliższych lat. Żywotność diod przekracza 50 000 godzin, co jest wielką zaletą w zastosowaniach komercyjnych, w których liczy się koszt wymiany źródła światła.

Chociaż zalety diod LED dużej mocy w postaci dużej trwałości i sprawności są ogromne, to CRI białych LED jest bardzo niski. Wiele z nich świeci światłem niebieskawym, a biały kolor osiąga się przez pokrywanie niebieskiego lub ultrafioletowego emitera żółtymi fosforami, aby przesunąć długość fali świecenia do pożądanego zakresu. Ostateczne widmo świecenia LED zależy od długości fali pierwotnego emitera i od tego, jak jego energia jest rozmieszczana przez fosfor w widmie widzialnym.

Rys. 5. Działanie algorytmu cyfrowej korekcji współczynnika mocy.

Jednym z rozwijających się zastosowań LED mocy jest podświetlanie wyświetlaczy LCD. W licznych obecnie panelach LCD do podświetlania stosowane są lampy CCFL. Rozwija się też nowa technika wyższej jakości ekranów LCD, podświetlanych osobnymi LED mocy, czerwonymi, zielonymi i niebieskimi (RGB). Użycie oddzielnych emiterów pozwala w znacznie lepszym stopniu kontrolować widmo kolorowe białych LED. Z użyciem tych trzech podstawowych kolorów można generować niemal dowolną barwę. LED RGB pozwalają generować w panelu LCD szerszy zakres kolorów niż możliwy w zwykłym ekranie fluorescencyjnym. Oprócz tego, LED mogą być włączane i wyłączane sygnałami skanowania wideo. Ich czas włączania i wyłączania jest bardzo krótki w porównaniu z innymi źródłami światła. Modulacja skanująca pozwala otrzymywać na panelu LCD ostrzejszy obraz.

Na rys. 6 pokazano układ sterowania LED RGB, który może być używany do paneli LCD, a nawet do zastosowań ogólnego oświetlania. LED muszą otrzymywać prąd ze źródła o stałym prądzie. W przypadku użycia wielu LED łączy się je zwykle szeregowo, zapewniając im jednakowe natężenie prądu. Wybór tego natężenia jest wynikiem kompromisu pomiędzy uzyskanym natężeniem światła, wydajnością i ograniczeniami termicznymi.

Rys. 6. Przykładowy układ sterowania diodą RGB

Trzech układów impulsowych MCP1630 użyto jako zasilaczy stałoprądowych. Zasilacze te są układami peryferyjnymi dla mikrokontrolera i zawierają elementy analogowe, potrzebne w pętli sterującej zasilacza impulsowego. Mikrokontroler dostarcza sygnału zegarowego, ustalającego częstotliwość przełączania i ograniczającego maksymalny współczynnik wypełnienia. Układ ten może być realizowany jako podwyższający lub obniżający, zależnie od dostępnego napięcia wejściowego i napięcia przewodzenia łańcucha diod LED. Kanały PWM używane do modulacji prądów wyjściowych trzech zasilaczy stałoprądowych i ustalania natężenia świecenia każdego z kolorów powinny być dobrej dokładności, co zapewni precyzyjną kontrolę kolorów, dokładną w szerokim zakresie jasności.

Długość fali świetlnej i natężenie świecenia LED są uzależnione od różnic w procesie produkcyjnym, upływu czasu i od natężenia prądu sterującego. W większości zastosowań podświetlania dla zapewnienia właściwego koloru i jasności potrzebne jest sterowanie aktywne. Do detekcji każdego ze składników wyjściowego światła używany jest czujnik RGB. Mikrokontroler kalibruje wyjście czujnika, określa wielkość błędu koloru, i za pomocą trzech standardowych programów regulacji PID, ustala składowe R, G i B. (KKP)