Независимо от мощности, светодиоды (СИД) обычно питаются от источника постоянного тока, потому что светодиодный выход, измеряемый в люменах (лм), пропорционален электрическому току. Поэтому все производители СИД определяют такие параметры, как светодиодный выход (который иногда называют также оптической эффективностью), скорее как функции прямого тока I_F, нежели прямого напряжения V_F, как можно было бы ожидать. Следовательно, мы используем в нашей схеме соответствующие стабилизаторы постоянного тока.

 

Постоянный ток для сверхъярких светодиодов

Большинство импульсных стабилизаторов, представленных на рынке, представляют собой скорее источники постоянного напряжения, а не постоянного тока. Для преобразования стабилизатора напряжения в стабилизатор тока должна быть проведена небольшая и простая модификация схемы. Вместо делителя напряжения, который обычно используется для установки выходного напряжения, мы используем резистор считывания тока, на котором измеряется падение напряжения. На рисунке 1 демонстрируется упрощенная схема.

 

 

Рис. 1. Импульсный стабилизатор может представлять собой источник напряжения или источник тока

 

Уменьшение интенсивности свечения светодиодов

Существует два основных способа уменьшения интенсивности свечения СИД. Первый, самый простой способ - аналоговое управление, когда ток, который течет через СИД, управляется напрямую: при более низком токе снижается яркость. К сожалению, данный метод имеет два существенных недостатка. Во-первых, яркость СИД не полностью пропорциональна току, и, во-вторых, длина волны (а, следовательно, и цвет) излучаемого света сдвигается по мере того, как происходит изменение величины тока СИД по отношению к номинальному значению. Двух этих явлений в большинстве случаев следует избегать.

Несколько более сложный метод управления использует источник постоянного тока, предназначенный для подачи номинального рабочего тока на СИД. Дополнительная схема может легко включить и выключить СИД с указанным коэффициентом заполнения, добиваясь таким образом снижения излучения. Это воспринимается как уменьшение яркости. Путем корректировки коэффициента заполнения можно легко настроить воспринимаемую яркость СИД. Это метод известен как широтно-импульсная модуляция (или ШИМ).

 

Уменьшение интенсивности свечения с помощью ШИМ

Мы рассмотрим способы применения ШИМ-управления, используя в качестве примера TPS62260. TPS62260 представляет собой синхронный понижающий преобразователь со встроенным коммутационным элементом, работающим на стандартной тактовой частоте 2,25 мГц. В схеме на рисунке 2 черным цветом показана возможность прямого подключения ШИМ-сигнала к существующему входу включения ИС (EN).

 

 

Рис. 2. Три способа применения функции регулировки интенсивности излучения светодиода

 

Вся схема импульсного стабилизатора включается и выключается в соответствии с ШИМ-сигналом. Эксперименты в нашей лаборатории демонстрируют, что в этой конфигурации мы можем использовать ШИМ-частоту до 100 Гц. Преимущество подобной конфигурации - в ее простоте: нет необходимости в использовании дополнительных компонентов. Этот вариант характеризуется и самыми оптимальными энергозатратами, так как импульсный стабилизатор в отключенном состоянии потребляет очень незначительное количество тока покоя. Недостатком его является отсрочка реакции СИД на высокий уровень на управляющем входе. Это объясняется тем, что импульсный стабилизатор имеет функцию плавного запуска: когда устройство включено, выходной ток постепенно нарастает до тех пор, пока он не достигнет номинального значения СИД. В отдельных случаях могут возникать проблемы, так как длина волны света, излучаемого СИД, бывает разной по мере нарастания тока с минимального значения до стандартного рабочего уровня. Например, в DLP-проекторе или в подсветке с СИД для ЖК-телевизоров подобные варианты могут быть неприемлемыми. В описываемой разработке это действие незаметно для глаз.

Во втором варианте (показан красным на рисунке 2) ШИМ-сигнал внесен во вход усилителя сигнала ошибки TPS62260 посредством диода, работающего при малых уровнях сигнала. В этой схеме положительное напряжение свыше 600 мВ на входе управляющего сигнала перегрузит вход усилителя сигнала ошибки, что приведет к отключению СИД. Так как данная схема не использует разрешающий входной сигнал, в ней при запуске не происходят задержки, связанные с функцией плавного запуска стабилизатора, и СИД включается и выключается очень быстро. Следовательно, сдвиг длины волны выходного сигнала вследствие нарастания тока, о котором упоминалось выше, в этой конфигурации ничтожно мал. Более того, в ходе лабораторных исследований было обнаружено, что частоту ШИМ можно повысить до 5 кГц.

Третья возможность показана на рисунке 2 синим цветом. В этом случае ШИМ-сигнал используется для управления полевым МОП-транзистором (MOSFET), подключенным параллельно СИД. MOSFET замыкает СИД накоротко, благодаря чему включение и выключение осуществляются еще быстрее. Стабилизатор работает в режиме постоянного тока, и этот ток течет либо через СИД, либо через MOSFET. Среди недостатков данного подхода - дополнительная стоимость MOSFET-транзистора и низкая эффективность использования энергии: в резисторе считывания тока с сопротивлением 2 Ома может рассеиваться непрерывно до 180 мВт мощности. Преимуществом подхода является высокая частота переключений. В ходе экспериментов наблюдалась успешная работа TPS62260 в этой конфигурации с частотами ШИМ до 50 кГц.

 

Практическая схема

В центре схемы (рисунки 3 и 4) находится микроконтроллер MSP430F2131. Он запрограммирован на работу в качестве генератора с тройной ШИМ и для считывания значений с вращающегося датчика (R1).

 

 

Рис. 3. Управляющая часть схемы на базе микроконтроллера MSP430 с соединением JTAG (JP1), разъемом eZ430 (JP2) и вращающимся датчиком (R1)

 

 

 

Рис. 4. Часть схемы, включающая в себя три импульсных стабилизатора, представляющие собой источники постоянного тока, и стабилизированный источник питания (3,3 В) с использованием дискретных компонентов

Значение датчика используется для справочной таблицы, содержащей значения коэффициентов заполнения для каждого СИД красного, зеленого и синего цвета. Соответствующие ШИМ-сигналы регистрируются на выходных контактах TA0, TA1 и TA2 с частотой около 122 Гц. Этой частоты достаточно для поддержания стабильной работы СИД. Глаз выравнивает отдельные световые импульсы до средней воспринимаемой величины интенсивности. Для практического применения был выбран метод ШИМ-управления, который показан красным на рисунке 2. Он дает хорошее сочетание сложности схемы с эффективностью ее работы. На каждый СИД - красный (D14), зеленый (D24) и синий (D34) - поступает постоянный ток от отдельного DC/DC преобразователя TPS62260. Резистор с сопротивлением 2 Ома устанавливает номинальный ток, текущий через СИД при 300 мА. Более высокие значения тока (до 1 A) могут достигаться с использованием TPS62290, «старшего брата» TPS62260, выпускающегося в аналогичном корпусе.

ШИМ-сигнал комбинируется с диодом, работающим при малых уровнях сигнала (D13, D23 и D33). При высоком уровне ШИМ-сигнала происходит отмена входного сигнала нормальной ошибки соответствующего импульсного стабилизатора, пороговый уровень напряжения которого составляет 600 мВ. То есть, высокий уровень ШИМ-сигнала приводит к тому, что СИД гаснет. При снижении уровня ШИМ-сигнала стабилизатор снова запускается, и СИД загорается.

Вся схема питается от регулируемого сетевого адаптера (5 В, 1 A DC). Простой стабилизатор напряжения с резистором и опорным диодом снижает уровень напряжения микроконтроллера MSP430 с 5 до 3,3 В.

Схема может устанавливаться на печатной плате, показанной на рисунке 5. Существует три варианта печатной платы, различающиеся только контуром и порядком подключения СИД. Это позволяет использовать различные типы СИД. Имеющиеся варианты СИД перечислены в перечне компонентов.

 

 

Рис. 5. Печатная плата для монтажа схем (рисунки 3 и 4). Для скачивания доступны три варианта, каждый соответствует тому или иному типу СИД

 

Формирование тактовых импульсов

Для микроконтроллеров MSP430 на выбор имеется несколько встроенных источников тактовых импульсов. В программе для MSP430 предусмотрено переключение между внешним генератором на основе кварца и внутренним емкостно-резистивным генератором. В целях снижения затрат мы отказались от внешних компонентов и использовали внутренний калиброванный емкостно-резистивный генератор.

«Калиброванный» означает, что параметры калибровки, сохраненные в информационной памяти MSP430, просто копируются в соответствующие управляющие регистры в модуле генератора тактовых импульсов. Использование данных параметров калибровки обеспечивает результирующую точность емкостно-резистивного генератора ±2,5% во всем диапазоне температур от 0 до 85°C. Частота емкостно-резистивного генератора составляет 7,8...8,2 мГц: данная частота используется в качестве тактовой частоты ЦП, а также для приведения в действие счетчика в модуле таймера A.

 

Применение тройной ШИМ

Модуль таймера A в MSP430 включает в себя модуль счетчика, а также ряд модулей захвата и сравнения. Частота формируемых ШИМ-сигналов определяется скоростью, с которой переполняется счетчик. Так как максимальное значение счетчика таймера A составляет 16 бит, частота ШИМ определяется по формуле: f_ШИМ = f_вх/2¹⁶ = 8 мГц/65536 = 122,07 Гц, где f_вх - частота входа синхронизации таймера A.

Где f_ШИМ - частота ШИМ-сигнала,

fвх - частота входа синхронизации таймера A

При повторении данных вычислений с использованием минимальных и максимальных значений частоты, указанных выше, мы получим максимальное отклонение частоты ШИМ-сигнала от ее номинального значения. Мы обнаружим, что 119 Гц < f_ШИМ < 125 Гц.

Формирование ШИМ-сигналов осуществляется выходными устройствами, которые являются частью каждого модуля захвата и модуля сравнения. В MSP430F2131 модуль таймера A включает в себя три модуля захвата и сравнения, а, следовательно, три выходных устройства. Каждый модуль захвата или сравнения включает в себя цифровой компаратор, который сравнивает текущее значение счетчика со значением, указанным отдельно для каждого модуля (TACCRO, TACCR1 и TACCR2). Если значения совпадают, выходной сигнал компаратора приводит в действие выходное устройство. При этом для выходного ШИМ-сигнала устанавливается значение «1». Сброс выходных ШИМ-сигналов осуществляется в программе. Переполнение 16-битного счетчика становится причиной прерывания; соответствующая сервисная программа, в свою очередь, обнуляет все выходные ШИМ-сигналы.

Использование программного обеспечения для сброса выходных ШИМ-сигналов устанавливает предел доступного диапазона коэффициентов заполнения. Выполнение сервисной программы прерывания таймера A включает в себя около 100 циклов. Таким образом, три таблицы цветов могут содержать значения в диапазоне от 100 до 65535.

 

Вращающийся датчик

Коэффициенты заполнения ШИМ могут задаваться в ручном режиме с использованием вращающегося датчика (или кодового датчика углового положения), который по внешнему виду напоминает потенциометр (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Работа кодового датчика углового положения

Вместо резистивной дорожки он содержит два контакта, которые открываются и закрываются по мере того, как вал поворачивается в 2-битной комбинации с кодом Грея. Внутренняя конструкция датчика довольно простая. Контактная щетка с двумя контактами скользит по двум токопроводящим кольцам, изолированным друг от друга. Изоляционный материал покрывает кольцо таким образом, что по мере того, как оно поворачивается, оно работает как переключатель, создавая двухбитный код Грея на выходных контактах.

Вместо резистивной дорожки он содержит два контакта, которые открываются и закрываются по мере того, как вал поворачивается в 2-битной комбинации с кодом Грея. Внутренняя конструкция датчика довольно простая. Контактная щетка с двумя контактами скользит по двум токопроводящим кольцам, изолированным друг от друга. Изоляционный материал покрывает кольцо таким образом, что по мере того, как оно поворачивается, оно работает как переключатель, создавая двухбитный код Грея на выходных контактах.

На рисунке вверху в общих чертах показано, каким образом датчик подключается к микроконтроллеру, а на рисунке внизу показаны выходные сигналы, когда вал постоянно поворачивается в любом направлении.

Используя два сигнала A и B, можно определить, когда и в каком направлении поворачивается вал. На временной диаграмме показаны четыре состояния: a, b, c и d. Они постоянно повторяются по мере вращения вала. Если программа MSP430 обнаруживает изменение состояния (от a к b), она знает, что необходимо выполнить приращение указателя таблицы цветов (LEDptr). И, наоборот, переход из состояния b в состояние становится причиной отрицательного приращения указателя.

Если датчик колеблется между двумя состояниями, a и b, это приводит к положительному или отрицательному приращению указателя. Это может вызвать мигание СИД вследствие изменения настроек. По этой причине (а также для изменение реального разрешения датчика на более удобное для пользователя) указатель LEDptr делится на четыре перед использованием для доступа к массивам таблиц цветов.

И в заключении несколько слов о подключении вращающегося датчика. На схеме, представленной на рисунке 3, нагрузочный резистор каждого контакта подведен к контакту 8 MSP430 (P.2.2), а не к VCC. Это не ошибка: в программе используется самое высокое значение P.2.2 (3,3 В), равное напряжению VCC. Конечно, нагрузочные резисторы могут быть подключены к VCC (3,3 В) напрямую, что позволит использовать P.2.2 для других целей.

 

Таблица цветов

Справочная таблица цветов имеет форму массива данных, сохраненного в MSP430. Он организован таким образом, что его можно дополнить в любое время дополнительными значениями ШИМ для красных, зеленых и синих СИД. Куда бы ни поворачивался вращающийся датчик, новые значения красного, зеленого и синего СИД будут считываться с массива данных и использоваться для формирования трех выходных ШИМ-сигналов.

Сейчас сохранены 252 значения, которые могут быть при желании изменены. Десятичное значение 100 отключает СИД, а значение 65535 формирует коэффициент заполнения 100%.

В случае использования источника питания 5 В, MSP430 переходит в режим демонстрации, где считываются значения, сохраненные в массиве данных, и последовательно выводятся в бесконечном цикле. После поворота датчика последовательность останавливается, после чего можно выбрать значение определенного цвета.

 

Тепловая карта

Рабочая температура является важным рабочим параметром СИД. Она оказывает существенное воздействие на эксплуатационный ресурс, прямое напряжение, длину волны выходного сигнала и даже яркость устройства. Чем выше рабочая температура СИД, тем короче его предполагаемый эксплуатационный ресурс. По этой причине были выбраны размеры экспериментальной печатной платы, позволяющие установить радиатор, тип SK477100 (производство фирмы Fischer Elektronik), с обратной стороны платы с использованием самоклеющейся теплопроводной ленты. При работе на полную мощность он позволяет снизить температуру СИД с 61 до 54°C. Радиатор также способствует рассеянию тепла по всей площади печатной платы.

Для примера на печатной плате были размещены светодиоды фирмы Cree. На рисунке 7 показаны результаты, демонстрирующие температуру СИД без радиатора (слева) и с радиатором (справа).

 

 

Рис. 7. Тепловое изображение печатной платы, на которой установлены светодиоды фирмы
Cree. Слева: без теплоотвода. Справа: с установленным теплототводом

 

Программное обеспечение

Программа для данного приложения к MSP430 доступна для скачивания с сайта Elektor. Она включает в себя файл заголовка «MSP430F21x2.h», который содержит определения всех имен регистров управления и управляющих разрядов MSP430.

Затем определяется длина таблицы цветов. Следует обратить внимание на то, что значение параметра «LED_TabLength» (длина таблицы СИД) равно четырехкратному значению длины таблицы. Затем следует сама таблица цветов, с отдельным массивом данных для каждого СИД. Указатель LEDptr используется для считывания соответствующих настроек коэффициентов заполнения ШИМ для каждого из трех выходных сигналов из отдельного массива данных таблицы цветов: см. также текстовый блок «Таблица цветов».

Инициализация микроконтроллера осуществляется в начале функции «main()». Контрольное реле времени отключено, выполняется загрузка значений, используемых для калибровки или проверки регулируемых системных часов. Выбирается конфигурация модуля таймера_A, и происходит инициализация мультиплексированных входов и выходов. Основной цикл включает в себя два временных модуля. В первом модуле происходит приращение указателя таблицы цветов LEDptr, что приводит к непрерывному изменению коэффициентов заполнения ШИМ, а, следовательно, и формируемого цвета. Общее время подобных цветовых изменений регулируется с помощью двух вложенных причинных циклов. Первый временной цикл продолжается до тех пор, пока вращающийся датчик не сообщит об изменении на одном из выходов. Затем начинается второй временной модуль, записанный как бесконечный цикл: здесь происходит положительное или отрицательное приращение указателя таблицы цветов в соответствии с направлением поворота вращающегося датчика.

 

Светлое будущее

Печатная плата обеспечивает дополнительную функциональность. Например, имеется гнездо для радиомодуля Ez430-RF2500 производства компании Texas Instruments. Комплект Ez430-RF2500 поставляется с двумя радиомодулями. Один из них может оснащаться вращающимся датчиком (используется контрольный вывод на микроконтроллере в радиомодуле), что позволяет создать радиосвязь с платой СИД.

Описанная здесь печатная плата первоначально была предназначена для экспериментальных целей и оценки. Благодаря наличию исходной программы MSP430 можно произвести все необходимые изменения и привести ее в соответствие с условиями других проектов.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: mcu.vesti@compel.ru

 

Краткая история светодиодов

 

История светоизлучающих диодов (светодиодов или СИД), которые также называют люминесцентными диодами, началась в 1962 г., когда компания General Electric (GE) начала производство и продажу на рынке красных СИД. Клиенты должны были довольствоваться довольно слабой световой отдачей, которая составляла всего лишь 0,1 лм/Вт, что соответствовало световой эффективности 0,1%. В качестве материала использовался a смешанный кристалл, состоящий из арсенида и фосфида галлия. С тех пор рынок СИД претерпел серьезные изменения. Многие другие производители сделали большие шаги в плане изменения технологии СИД, а световая отдача для заданного тока существенно возросла.

Но необходимо было дальнейшее повышение эффективности, а также электрической прочности и тепловой устойчивости, прежде чем стало возможным использование СИД в качестве источников света в любом значительном количестве. Одновременно наблюдалось стремительное падение цен, что позволило освоить совершенно новые области применения. Таков был результат сорока лет исследований и разработок.

Сегодня можно приобрести очень яркий, достаточно мощный СИД по умеренным ценам: например, серия Golden Dragon производства фирмы OSRAM Opto (бывший Infineon), серия Rebel СИД фирмы Lumileds (Philips Semiconductors), а также серия X-Lamp фирмы Cree. Безусловно, существует множество других производителей сверхъярких светодиодов, и их продукцию невозможно оценить в рамках одной статьи.

Световая отдача СИД, существующих сегодня на рынке, возросла до 20 лм/Вт, а у некоторых моделей и до 40 лм/Вт. Эти значения соответствуют световой эффективности 5 и 10%, соответственно, существенно выше эффективности стандартных ламп накаливания, световая отдача которых составляет 10 лм/Вт, а эффективность - около 2%. Сверхъяркие СИД гораздо ярче галогеновых ламп (прибл. 25 лм/Вт) и, возможно, скоро превзойдут лампы с низким энергопотреблением (прибл. 60 лм/Вт).