Sterowanie diodami LED w układach oświetleniowych

Rys. 1. Sterownik LED w aplikacjach Digital Signage

Kolejnym ważnym obszarem aplikacyjnym jest podświetlanie wyświetlaczy LCD w monitorach i telewizorach oraz urządzeniach mobilnych. Każde z tych zastosowań ma swoją specyfikę i korzysta z diod innego typu: białych lub kolorowych, wydajnych lub efektywnych energetycznie itp. Diody LED stają się częścią instalacji elektrycznej pojazdów zastępując żarówki w lampach i oświetleniu wewnętrznym.

Wraz ze specyficznym zastosowaniem istnieje konieczność poprawnego sterowania diod za pomocą dopasowanego sterownika. Inne układy konieczne są do zasilania lampy oświetleniowej pracującej z sieci, inne do sprzętu mobilnego, a jeszcze inne do sterowania matrycą złożoną z setek diod. Uzyskanie wysokiej jakości funkcjonalnej takich źródeł światła, a przede wszystkim dużej sprawności i trwałości, jest kluczowym czynnikiem nowoczesnych systemów oświetleniowych.

Oczywistym błędem jest dopasowywanie na siłę jednego znanego układu drivera do różnych aplikacji oraz nie sięganie po nowe wersje o większych możliwościach. Dlatego poniżej prezentujemy krótki przegląd sterowników diod LED wybranych pod kątem opisanych różnych obszarów aplikacyjnych, wybranych spośród szerokiego portfolio układów firmy ST Microelectronics.

Systemy Digital Signage

Rys. 2. Zasilacz podwyższający napięcie współpracujący z baterią alkaliczną

Wyświetlacze wielkoformatowe i aplikacje Digital Signage, znaki drogowe i informacyjne budowane są w formie matrycy wielu diod LED, jedno- lub kilkukolorowych. Typowe rozwiązania bazują na dużej płytce drukowanej, w której po jednej stronie laminatu rozmieszczane są diody, a po drugiej montowane są układy sterujące i zasilające.

Sterowniki diod w takim przypadku pozwalają na kaskadowe łączenie i szeregowe wpisywanie informacji do rejestru włączające poszczególne elementy, dzięki czemu możliwe jest sterowanie i animowanie wyświetlaczem zawierającym setki diod za pomocą mikrokontrolera o relatywnie małych zasobach.

Przykładem mogą być układy ST1612-PW05 - będące 16-bitowymi rejestrami przesuwnymi z wyjściami pozwalającego na bezpośrednie podłączenie 16 diod LED o maksymalnej wydajności 100 mA (rys. 1). Układy te są zasilane napięciem 3,3 lub 5 V i pozwalają na zaprogramowanie prądu wszystkich diod jednym rezystorem oraz regulację natężenia oświetlenia za pomocą PWM dla każdego kanału w szerokim zakresie.

Mają wbudowane zabezpieczenie termiczne i realizują funkcję inteligentnej regulacji jasności zapobiegającą pojawianiu się artefaktów w wyświetlanych obrazach podczas zmian treści. Pozwalają też wykrywać uszkodzone diody. Dane o obrazie mogą być wpisywane do rejestrów przy taktowaniu zegarem do 30 MHz, co pozwala na natychmiastowe zmiany treści nawet przy wielu sterownikach połączonych w kaskadę.

Aplikacje oświetleniowe niskonapięciowe

Rys. 3. Zasilacz do LED obniżający napięcie

Sterowniki LED w urządzeniach mobilnych i takich, gdzie dostępne jest napięcie zasilające o niskiej wartości, z reguły nieprzekraczające 15 V realizuje się za pomocą wysokosprawnej przetwornicy dc-dc, pracującej z częstotliwością około 1 MHz, co pozwala radykalnie ograniczyć wielkość niezbędnego dławika i wykorzystywać kondensatory ceramiczne zamiast elektrolitycznych.

Dla niskich napięć zasilających stosuje się przetwornice podwyższające. W zależności od wymaganej mocy wyjściowej, dostępne sterowniki są w wersjach ze zintegrowanym tranzystorem lub bez. Praktycznie wszystkie układy realizują one kontrolę prądu płynącego przez diody i pozwalają na regulację jasności za pomocą sygnału PWM.

Przykładowe rozwiązanie zasilacza na układzie ST8R00 (przetwornica podwyższająca) pokazane jest na rysunku 2. Przy U_WE=4...6 V układ ten zapewnia napięcie wyjściowe U_WY rzędu 6..12 V, pozwalające na połączenie 2-3 białych diod LED szeregowo przy wydajności do 1 A.

Przykładowa przetwornica zasilająca dla LED obniżająca pokazana jest na rysunku 3. Układ ST1CC40 pracuje przy taktowaniu 900 kHz z napięciem wejściowym 3,5...18 V, zapewniając na wyjściu prąd do 3 A. Pozwala to na bezpośrednie podłączenie układu do szyny zasilającej 5 lub 12 V. Sprawność przetwarzania sięga aż 95%, co jest wynikiem doskonałych parametrów tranzystorów przełączających (R_DS(ON) tylko 70 mΩ). Sterownik ma wejście do regulacji jasności i blokujące pracę. Napięcie sprzężenia zwrotnego na szeregowym rezystorze pomiarowym wynosi tylko 100 mV, co ogranicza znacznie straty mocy.

Aplikacje oświetleniowe wysokonapięciowe

Rys. 4. Konwerter izolowany z układem HVLED805

Aplikacje oświetleniowe małej i średniej mocy zasilane są najczęściej wyprostowanym napięciem sieci energetycznej. Dodatkowo, aby osiągnąć wysoką wartość współczynnika mocy napięcie podawane na układ przekształtnika nie jest często filtrowane za pomocą kondensatora elektrolitycznego, tylko jest blokowane dla składowej zmiennej kondensatorem ceramicznym.

W ten sposób znacznie poprawia się jakość elementu oświetleniowego, bo pracujący w podwyższonej temperaturze kondensator elektrolityczny ma niewielką trwałość. Układy takie występują w dwóch typach: z izolacją za pomocą transformatora impulsowego lub jako nieizolowane, a wybór jednego lub drugiego sposobu zależy od konstrukcji elementu oświetleniowego i związanego z tym wymaganego stopnia bezpieczeństwa oprawy przed dotykiem.

Rys. 5. Zasilacz nieizolowany współpracujący z siecią energetyczną

Przykładowe rozwiązanie sterownika izolowanego HVLED805 pokazane zostało na rysunku 4. Ma on wbudowany w strukturę tranzystor MOSFET 800 V, sterownik PWM zapewniający wysoką sprawność dzięki przełączaniu w zerze (ZVS) i nie wymaga do pracy optoizolatora. Prąd płynący przez diody jest mierzony po stronie pierwotnej z dokładnością 5%. Układ jest zabezpieczony przed zwarciem po stronie wtórnej i rozwarciem - stan taki jest wykrywany i sterownik przechodzi wówczas w tryb stabilizacji napięcia zamiast prądu, co ogranicza możliwość niekontrolowanego wzrostu napięcia na wyjściu.

Uproszczony schemat rozwiązania nieizolowanego bazującego na układzie L6562A pokazano na rysunku 5. L6965A to korektor PFC pracujący w trochę nietypowym zastosowaniu jako wysokonapięciowy zasilacz obniżający napięcie. Układ taki jest w stanie dostarczyć moc do 100 W przy bardzo małych rozmiarach i prostej konstrukcji. Duża sprawność przetwarzania zapewnia pojedynczy element indukcyjny oraz dobre parametry elementu przełączającego.

Mikrokontroler jako sterownik LED

Rys. 6. Konstrukcja stopnia mocy typu step-down do współpracy z mikrokontrolerem

Wydajny mikrokontroler 32-bitowy, zawierający układy PWM oraz wielokanałowe przetworniki ADC jest naturalnym kandydatem do pracy jako sterownik oświetlenia LED, zwłaszcza w aplikacjach zasilanych niskim napięciem (poniżej 48 V). Za pomocą bloków PWM można zrealizować sterowanie zewnętrznymi tranzystorami przełączającymi, a kanały przetwornika ADC można wykorzystać do pomiaru prądu i realizacji pętli sprzężenia zwrotnego.

Mikrokontroler jest w stanie zrealizować w sposób programowy regulację jasności, kontrolę barwy i intensywności świecenia za pomocą czujnika koloru, wykonywać kompensację zmian temperatury i monitorować szereg innych parametrów oraz zapewnić komunikację z systemem nadrzędnym za pomocą np. protokołu DALI. Jest on szczególnie użyteczny w przypadku współpracy z diodami RGB o dużej mocy.

Rys. 7. Układ blokowy lampy ulicznej o mocy 25 W z wykorzystaniem STM32F

Przykładowe rozwiązanie stopnia mocy dla czterokanałowego systemu oświetleniowego pokazane zostało na rysunku 6. Zawiera ono cztery konwertery obniżające współpracujące z diodami. Rezystory umieszczone w źródle MOSFET-ów dostarczają informacji o płynącym prądzie.

Mikrokontroler jest jedynym sensownym rozwiązaniem układu sterującego dla złożonego systemu oświetleniowego, np. lampy ulicznej zasilanej z akumulatora oraz sieci i współpracującego z baterią ogniw fotowoltaicznych. Sterowanie diodami LED, ładowanie akumulatora, przełączanie źródeł i monitoring kluczowych parametrów wszystkich obwodów najkorzystniej jest wykonać za pomocą 32-bitowej jednostki STM32. Schemat blokowy takiego systemu pokazano na rysunku 7 i jest on dostępny jako zestaw ewaluacyjny STEVAL-ILL022V1.

Robert Magdziak