Управление светодиодами (стр. 1 из 2)
Сафронов Алексей
В настоящее время светодиоды используются не только для обеспечения красивых индикаторов красного и зеленого цвета на электронном оборудовании. Достижения технологии позволили использовать светодиоды в качестве практичных источников освещения. Основные преимущества светодиодов - длительный срок службы, прочность и эффективность.
При правильном управлении светодиоды могут работать десятки тысяч часов без снижения светоотдачи. Типичная эффективность мощных светодиодов, измеренная в люменах на ватт, составляет 40-80. Это в несколько раз лучше, чем у ламп накаливания, и только люминесцентные лампы более эффективны. Так как светодиоды являются твердотельными устройствами, они могут противостоять ударам и вибрациям, которые повредили бы лампу накаливания.
Применение светодиодов
Преимущества светодиодов полезны во многих типах освещения:
Освещение автомобильных и самолетных кабин;
Освещение приборных досок автомобиля и самолета;
Освещение запасного выхода здания;
Цвето-световое оформление зданий;
Промышленное и наружное освещение;
Дорожные и железнодорожные знаки;
Автомобильные стоп-сигналы
Светодиодные матрицы и видеомониторы;
Подсветка ЖК-монитора;
Фонарики;
Освещение медицинского инструмента и приборов;
Вспышки цифровых камер и видео свет;
Эффективное управление светодиодами
Светодиоды должны управляться источником постоянного тока. Светодиоды имеют определенный уровень тока, при котором достигается максимальная яркость, не вызывая его выход из строя. Светодиод может управляться линейным регулятором напряжения, сконфигурированным как источник постоянного тока. Однако, данный подход не практичен для мощных светодиодов из-за высокой рассеиваемой мощности в цепи регулятора. Импульсный источник питания (SMPS) обеспечивает намного более эффективное управление светодиодами. Параметры напряжения источника питания и прямого напряжения светодиода определяют SMPS топологию. Несколько светодиодов могут быть объединены в группы для увеличения падения прямого напряжения на выбранном уровне управляющего тока.
Топология SMPS схем, адаптированная для регулирования тока в светодиодном освещении та же самая, что и используемая для регулирования напряжения в источниках питания. Каждый тип SMPS топологии имеет свои преимущества и недостатки, как представлено в таблице ниже.
Таблица 1. SMPS топологии, которые могут быть полезны для светодиодного освещения
| Топология регулятора | ОтношениеVвх к Vвых | Сложность | Число компонентов | Комментарии |
| На переключаемых конденсаторах | (-Vвых < Vвх < Vвых) | Низкая | Среднее | - ограниченный диапазон Iвых- без дросселей |
| Понижающий | (Vвх > Vвых) | Средняя | Среднее | - верхний драйвер - импульсный Iвх |
| Повышающий | (Vвх < Vвых) | Средняя | Среднее | - нужны дополнительные элементы для изоляции выхода от входа |
| SEPIC | (Vвых < Vвх < Vвых) | Средняя | Высокое | - плавный Iвх- несколько выходов- два дросселя |
| Смешанный | (Vвых < Vвх < Vвых) | Средняя | Среднее | - один дроссель- до четырех переключателей |
| Обратноходовый | Зависит от трансформатора | Средняя | Среднее | - трансформатор для гальванической развязки- возможность нескольких выходов |
Данная статья описывает два типа драйверов для управления светодиодами:
микросхема аналогового драйвера, которая может быть использована как независимо, так и вместе с микроконтроллером;
микроконтроллер с интегрированной функцией управления светодиодами;
Источник тока на переключаемых конденсаторах
Такая схема не имеет катушек индуктивности, которые требуются в других SMPS топологиях. Это обеспечивает более компактные и менее дорогостоящие схемы. Обратная сторона в том, что такой источник не может обеспечить большой ток, по сравнению с другими топологиями. Схемы на переключаемых конденсаторах наиболее востребованы в подсветке, ЖК-дисплеях и автомобильных приборах.
Демонстрационная плата MCP1252DM-BKLT
Плата демонстрирует использование драйвера переключаемых конденсаторов в светодиодном применении и работает как платформа для оценки MCP1252 (См. рис.1).
Рис. 1. Светодиодный драйвер на переключаемых конденсаторах на MCP1252
Повышающий преобразователь на индуктивных элементах
Топология повышающего преобразователя используется, когда выходное напряжение конвертора должно быть равно или больше чем входное напряжение. Повышающий преобразователь используется для управления несколькими светодиодами, соединенных в группы, что является его преимуществом. Это гарантирует, что все светодиоды получат одинаковый ток, и соответственно ту же яркость свечения. Использование сдвоенного дросселя в повышающей схеме уменьшает требования к переключающему напряжению MOSFET ключа. Синхронный повышающий преобразователь MCP1640 может обеспечить стабильное рабочее напряжение для светодиода при питании от одноячеечной щелочной батареи. Схема подключения синхронного повышающего преобразователя на MCP1640 представлена на рис.2.
Рис. 2. Синхронный повышающий преобразователь на MCP1640
Повышающий переключатель на MCP1650 использует внешнее переключение таким образом, что он может быть использован для любого типа нагрузки. Дополнительное преимущество MCP1650 в батарейных применениях - это Gated Oscillator Architecture, которая обеспечивает два рабочих цикла, что уменьшает пиковой ток индуктора и пульсации выходного напряжения. Входное напряжение выше 3, 8В занимает 56% рабочего цикла и 80% когда входное напряжение падает ниже 3, 8В. Это увеличивает срок службы батареи.
Демонстрационная плата с девятью белыми светодиодами MCP1650DM-LED2
Демонстрационная плата с девятью белыми светодиодами использует микросхему MCP1650 для питания светодиодов, которые соединены в группы. Микроконтроллер PIC10F202 в шестивыводном корпусе SOT-23 используется для регулирования светимости путем подачи ШИМ на вход разрешения работы. На рис.3 представлен пример использования MCP1650 для драйвера светодиодов работающего от батареи.
Рис. 3. Пример использования MCP1650 для драйвера светодиодов работающего от батареи
Управление светодиодами с использованием SEPIC преобразователя
Топология SEPIC (Single-Ended Primary Inductance Converter) использует дополнительный (чаще всего, сдвоенный) дроссель и обеспечивает следующие преимущества для приложений с питанием от батареи:
Конвертер может работать как в повышающем, так и в понижающем режиме;
Топология схемы обеспечивает защиту от короткого замыкания, за счет применения развязывающего конденсатора;
Демонстрационная плата с 3-х ваттными светодиодами MCP1650DM-LED1
Плата демонстрирует применение семейства повышающих MCP165X контроллеров для работы с белыми светодиодами с входным напряжением в диапазоне 2.0В до 4.5В. Пример схемы драйвера 3-х ваттных светодиодов с питанием от батареи 3, 6В (SEPIC преобразователь) представлен на рис.4.
Рис. 4. Схема с питанием от батареи драйвера 3, 6В 3-х ваттных светодиодов (SEPIC преобразователь)
Генерирование ШИМ сигналов управления
Существует множество путей генерирования управляющих ШИМ сигналов для схем управления питанием:
Модуль захвата-сравнения-ШИМ (ССР) может генерировать ШИМ. Длительность импульса сигнала контролируется таймером микроконтроллера и регистром скважности
Усовершенствованный CCP (ECCP) модуль позволяет одному ШИМ сигналу контролировать 2 или 4 выходных вывода для управления половиной моста или мостом соответственно
Контроллеры, которые имеют компаратор и ECCP могут использовать сигнал компаратора для управления временем отключения ШИМ сигнала.
Микроконтроллеры с компараторами и SR-триггером могут использовать сигналы компаратора и/или импульсы таймера для включения и выключения выхода триггера
Периферийная микросхема внешней ШИМ также может быть использована. Данная опция используется, когда требуются несколько высокоскоростных ШИМ каналов
ШИМ сигналы могут быть сгенерированы программно. Данная опция более дешевая и используется когда требования к частоте ШИМ и разрешению скважности не очень высокие.
Микроконтроллеры PIC с интегрированным компаратором, такие как PIC12F609 могут быть использованы для разработки простого драйвера светодиодов. В PIC12HV609 добавляется внутренний регулятор, позволяющий работать от постоянного напряжения более 5В.
Схема повышающего драйвера на компараторе представлена на рис.5.
Рис. 5. Схема повышающего драйвера на компараторе
Пример использования PIC12HV615 в светодиодной RGB схеме представлен на рис.6.
Рис. 6. Пример использования PIC12HV615 в светодиодной RGB схеме
Микроконтроллеры с расширенной аналоговой периферией
Некоторые контроллеры, такие как PIC16F616 имеют SR-триггер, который может использоваться совместно с компараторами и другими цифровыми сигналами. Цифровые сигналы, такие как импульсы таймера или сигналы компаратора могут быть запрограммированы для установки или сброса SR-триггера. Эти программные опции позволяют сгенерировать практически любой тип управляющего сигнала. PIC16F785 имеет два интегрированный операционных усилителя, два интегрированных компаратора, два SR-триггера и настраиваемый источник опорного напряжения. Эта комбинация периферийных устройств может быть сконфигурирована для выполнения большого числа схемных SMPS топологий. Схема обратноходового конвертера на PIC16HV785 с корректором коэффициента мощности и управлением яркости представлена на рис.7.