Mikrokontrolery w układach oświetleniowych

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.

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.

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.

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.

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

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)