Sterowanie pracą diod LED
advertisement
Sterowanie pracą diod LED Sterowanie pracą diod LED Andrzej Brzozowski D iody LED coraz częściej stosowane są w systemach oświetlenia domowego, ulicznego, stadionów, w układach podświetlania ekranów LCD. Nowoczesne diody LED charakteryzują się wysoką trwałością i efektywnością świetlną, ale wymagają spełnienia określonych warunków zasilania. W artykule omówiono podstawowe typy konwerterów DCDC zasilających systemy oświetlenia z diodami LED. 1. Budowa diody LED Dioda LED stanowi złącze półprzewodnikowe p-n. Jeżeli do złącza półprzewodnikowego przyłożone zostanie dodatnie napięcie, ruch elektronów i dziur w złączu powoduje wytwarzanie energii emitowanej w postaci światła. Kolor emitowanego światła zależy od materiału, z jakiego wykonano złącze p-n. Najszybciej opanowano na masową skalę produkcję czerwonych diod LED. Były one dostępne na rynku elektronicznym już pod koniec lat 60. ubiegłego wieku i masowo stosowane były w wyświetlaczach siedmiosegmentowych. Diody niebieskie stały się popularne i dostępne dopiero kilka lat temu. Światło odbierane przez wzrok ludzki jako białe zawiera fale świetlne całego widzialnego widma: od 425 nm do 675 nm. Nie jest możliwe wytworzenie światła białego przez pojedyncze złącze p-n. W chwili obecnej stosowane są dwie główne metody wytwarzania białych diod LED: • poprzez mieszanie światła pochodzącego z diod czerwonej, niebieskiej i zielonej, • poprzez konwersję długości fali świetlnej. Dioda będąca połączeniem diod LED czerwonej, niebieskiej i zielonej emituje światło białe o bardzo dobrym współczynniku CRI *. Diody wykonane w takiej technologii stosowane są w wysokiej jakości układach podświetlenia (np. ekranów LCD). Prostsza i bardziej ekonomiczna jest druga technologia wytwarzania białych diod LED wykorzystująca diody niebieskie z pokryciem fosforowym, które przetwarza światło niebieskie na żółte. Żółte światło stymuluje receptory czerwone i zielone w ludzkim oku, dzięki czemu zmieszanie światła niebieskiego i żółtego odbierane jest jako światło białe. Tak wytworzona dioda LED ma wysoki współczynnik CRI, ale jej światło może być niejednorodne ze względu na sposób wywarzania warstwy fosforu. * Współczynnik CRI (ang. Colour Rendering Index) – współczynnik oddawania barw, charakteryzujący źródło światła. Wyrażony jest liczbą z przedziału od 0 (dla światła monochromatycznego) do 100 (dla światła białego) i określa, jak wiernie postrzegane są barwy przedmiotów oświetlonych przez źródło światła. Im współczynnik CRI jest wyższy, tym barwy są lepiej oddawane. Niskim współczynnikiem CRI charakteryzują się np. niskoprężne lampy sodowe, a wysokim światło słoneczne. 2. Wydajność świecenia diod LED Wydajność źródła światła definiowana jest jako ilość wytwarzanego światła (intensywność świecenia wyrażona w lumenach lm) na Wat – [ lm/W ]. W chwili obecnej niektórzy producenci diod LED oferują diody o wydajności 150 lm/W. Dla porównania wydajność żarówki jest na poziomie 15 lm/W, a wydajność lamp fluorescencyjnych na poziomie 70 lm/W. Problem z wydajnością diod LED polega na tym, że duża część wytwarzanego przez diodę światła jest odbijana przez powierzchnię obudowy diody w kierunku złącza diody. Energia odbita zamieniana jest w ciepło. Zastosowanie powłoki antyrefleksyjnej i zminimalizowanie kąta odbicia poprzez zastosowanie obudowy sferycznej ze złączem p-n umieszczonym centralnie redukuje znacznie ilość światła odbitego w stronę struktury diody i poprawia wydajność diod LED. 3. Parametry diod LED W tablicy 1 podano podstawowe parametry diod LED. Tablica 1. Parametry diod LED D³ugoœæ fali œwiat³a [ nm ] Kolor Napiêcie wsteczne diody dla pr¹du diody I f = 20mA 940 635 570 430 425 - 675 podczerwieñ czerwony zielony niebieski bia³y 1.5 2.0 2.0 3.8 3.6 Białe diody LED ze względu na kolor emitowanego światła dzieli się na: • warm white LED – diody emitujące światło białe ciepłe – temperatura barwy takiego światła jest poniżej 3300K; jest to światło zbliżone do światła żarówki, • neutral white LED – diody emitujące światło neutralne o temperaturze barwy z zakresu 3300K - 5300K, • cool white LED – diody emitujące białe światło zimne o temperaturze barwy powyżej 5300K. SERWIS ELEKTRONIKI Sterowanie pracą diod LED 4. Zastosowania diod LED Diody LED o wysokiej wydajności świetlnej stosowane są w urządzeniach zasilanych z baterii, gdzie wysoka wydajność źródła światła pozwala na wydłużenie czasu życia baterii. Diody LED charakteryzują się bardzo krótkim czasem włączania i wyłączania. Ten parametr zadecydował o tym, że są coraz częściej stosowane w światłach samochodowych. Diody LED nie zawierają ołowiu i rtęci – spełniają wymagania norm ROHS określających dopuszczalną zawartość pierwiastków szkodliwych takich jak ołów, rtęć, kadm, chrom. Dzięki temu wykorzystywane są w układach podświetlenia ekranów LCD spełniających standardy ROHS. Lampy fluorescencyjne stosowane w układach podświetlenia zawierają gaz składający się z oparów argonu i rtęci i nie spełniają wymagań ROHS. Ze względu na długi czas życia diody LED stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność źródła światła - np. w systemach oświetlenia ulicznego, czy awaryjnego. 5. Sterowanie pracą diod LED Jaskrawość świecenia diody LED zależy od prądu diody w kierunku przewodzenia. Napięcie na diodzie zależy od koloru diody i prądu przewodzenia. Układy sterowania pracą diod LED są źródłem prądowym, które zapewnia stały prąd diody, a tym samym stały poziom światła emitowanego przez diodę. Na rysunku 1 przedstawiono schematy blokowe podstawowych układów sterujących diodami LED. b) stabilizator liniowy a) źródło napięcia z rezystorem szeregowym RB Vin + + + Vin + _ Układ regulacji RFB c) przełączane kondensatory + Vin + _ _ Układ regulacji RFB d) zasilacz impulsowy L + Vin + _ _ Układ regulacji _ Najprostszym układem sterującym jest źródło napięcia z rezystorem szeregowym – rys.1a. Jest to najlepsze rozwiązanie w układach z małym prądem diody i napięciem zasilającym nieco wyższym niż napięcie wsteczne na diodzie. Zmiany napięcia zasilającego w układzie z rysunku 1a będą powodowały zmiany prądu diody, co pociąga za sobą zmianę jasności świecenia i koloru światła. Stabilizator liniowy – rys.1.b – zapewnia większą stabilność prądu diody i stosowany jest w układach z małym prądem diody i napięciem zasilającym nieco wyższym niż napięcie wsteczne na diodzie. Układ z przełączanymi kondensatorami z rys.1.c stosowany jest w układach z małym prądem diody, gdy napięcie wejściowe jest niższe niż napięcie na diodzie. Układy z rys. 1a, 1b, 1c nie mogą być stosowane w aplikacjach, gdzie prąd diody jest duży i napięcie wejściowe może zmieniać się w szerokim zakresie. W takich przypadkach układy te mają niską sprawność ze względu na duże straty mocy. Na przykład stabilizatory liniowe (rys. 1.b) sterujące diodą LED o prądzie 1A i napięciu wstecznym 3.5V mają sprawność 70% przy napięciu wejściowym 5V. Jeżeli napięcie wejściowe zwiększy się do 12V, sprawność takiego układu wynosi już tylko 30%. W przypadkach, gdy napięcie zasilające zmienia się w szerokim zakresie, najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie układu zasilacza impulsowego z rys. 1d. Zasilacz impulsowy działa na zasadzie klucza przerywającego przepływ prądu od źródła do obciążenia. Kontrola czasu zamknięcia klucza pozwala na regulację prądu i napięcia wyjściowego. Zasilacz impulsowy może pracować jako zasilacz izolowany lub nieizolowany w różnych konfiguracjach: • jako układ obniżający napięcie – Buck, • jako układ podwyższający napięcie – Boost, • jako układ obniżający lub podwyższający napięcie – Buck-Boost. Aby zapewnić stały prąd diody LED, układ impulsowy powinien być układem z regulacją prądu wyjściowego – powinien stanowić źródło prądowe. Systemy oświetlenia wymagające zastosowania wielu diod LED wykorzystują diody LED połączone szeregowo. Połączenie szeregowe diod LED gwarantuje, że prąd płynący przez każdą z diod jest taki sam. Większość systemów oświetlenia z diodami LED zasilana jest z sieci. Napięcie sieci jest najpierw zamieniane na napięcie stałe DC w zasilaczu z układem PFC. Następnie napięcie DC zasila konwerter DC-DC typu Buck, Boost lub Buck-Boost. Napięcie wyjściowe z konwertera zasila diody LED. Najczęściej konwertery DC-DC zasilające diody LED zasilane są napięciami: 12V, 24V, rzadziej 48V. W niektórych systemach stosowane jest napięcie zasilające 60V. Zgodnie ze standardami bezpieczeństwa jest to maksymalne bezpieczne napięcie DC. 5.1. Układ zasilania typu Buck jako źródło prądowe RFB Rys.1. Podstawowe układy sterujące diodami LED Na rysunku 2 przedstawiono schematy zasilacza typu SERWIS ELEKTRONIKI Sterowanie pracą diod LED a) L Vo Vin D Co RFB2 Układ regulacji VFB RFB1 b) L Vo Vin + LED D Układ regulacji Co _ IF VFB RFB Rys.2. Schemat zasilacza typu Buck (obniżającego napięcie) a) z regulacją napięcia wyjściowego b) z regulacją prądu wyjściowego Buck – obniżającego napięcie. W zasilaczu typu Buck są dwa cykle pracy: • tranzystor kluczujący jest włączony, energia ze źródła zasilania przekazywana jest do obciążenia i gromadzona jest w cewce; • tranzystor kluczujący jest wyłączony, energia zgromadzona w cewce przekazywana jest do obciążenia przez diodę D. Na rysunku 2a przedstawiono układ Buck z regulacją napięcia wyjściowego. Pętla sprzężenia zwrotnego reguluje współczynnik wypełnienia lub częstotliwość sygnału sterującego tranzystorem MOSFET tak, aby napięcie wyjściowe było stałe. Napięcie wyjściowe określone jest wzorem: Vo = Vfb(RFB1+RFB2)/RFB1. Cewka L określa maksymalną amplitudę składowej zmiennej prądu wyjściowego, kondensator Co filtruje napięcie wyjściowe. Wartość średnia prądu płynącego przez cewkę L jest równa prądowi obciążenia. Regulacja prądu obciążenia dokonywana jest poprzez regulację wartości prądu płynącego przez cewkę L. Na rysunku 2b przedstawiono schemat konwertera typu Buck z regulacją prądu wyjściowego. Układ reguluje współczynnik wypełnienia lub częstotliwość sygnału tranzystorem MOSFET tak, aby prąd wyjściowy był stały. Prąd wyjściowy określony jest wzorem: IF = VFB/RFB Precyzyjne ustalenie wartości prądu wyjściowego IF wymaga zastosowania czujnika prądu wyjściowego. Pomiar prądu musi być dostatecznie dokładny, aby ustawić prąd wyjściowy z dokładnością 5% - 15% – taka dokładność wartości prądu jest wymagana przez wysokoprądowe diody LED. Pomiar wartości prądu poprzez pomiar napięcia na rezystorze RFB zapewnia wystarczającą dokładność, ale prąd płynący przez rezystor RFB generuje straty mocy w układzie. Straty mocy można ograniczyć poprzez zmniejszenie napięcia sprzężenia zwrotnego VFB – a co za tym idzie zmniejszenie wartości rezystora RFB i zmniejszenie strat mocy na tym rezystorze. Układy scalone stosowane w zasilaczach typu Buck mają napięcia sprzężenia zwrotnego w zakresie 50mV - 200mV. Układy zasilania typu Buck dla diod LED mogą pracować bez wyjściowego kondensatora filtrującego Co. Kondensator wyjściowy w przypadku układu z regulacją prądu wyjściowego ma za zadanie filtrację składowej zmiennej prądu wyjściowego. Prąd wyjściowy przy zasilaniu diod LED jest stały, nie ma nagłych zmian prądu obciążenia, zatem można zrezygnować ze stosowania kondensatora wyjściowego. Powoduje to zwiększenie impedancji wyjściowej zasilacza. Usunięcie kondensatora wyjściowego wiąże się z koniecznością zwiększenia indukcyjności cewki L aby utrzymać zmiany prądu wyjściowego w granicach 5% 20%. Zwiększenie indukcyjności oznacza zastosowanie większej (droższej cewki). Jako kompromis pomiędzy ceną i jakością rozwiązania stosuje się kondensator o niewielkiej pojemności i cewkę o indukcyjności mniejszej niż wymagana dla układu bez pojemności wyjściowej. 5.2. Układ zasilacza typu Boost jako źródło prądowe Układ zasilacza impulsowego typu Boost stosowany jest wtedy, gdy zachodzi potrzeba sterowania pracą bardzo wielu diod LED połączonych szeregowo. Całkowite napięcie na łańcuchu diod jest wówczas większe niż napięcie zasilające. Na rysunku 3 przedstawiono porównanie konwerterów typu Buck i Boost. a) Zasilacz typu Buck Vo=n * VF Vin>Vo L Vo Vin LED1 D Układ regulacji LEDn VFB RFB b) Zasilacz typu Boost Vo=n * VF Vin<Vo D L Vo Vin LED1 Co Układ regulacji LEDn VFB RFB Rys.3. Konwertery DC-DC typu Buck i Boost Cykl pracy zasilacza typu Boost składa się z dwóch okresów: • tranzystor kluczujący jest załączony; w tym czasie w cewce gromadzona jest energia ze źródła zasilania; • tranzystor kluczujący jest wyłączony; w tym czasie SERWIS ELEKTRONIKI Sterowanie pracą diod LED energia zgromadzona w cewce przekazywana jest do obciążenia przez diodę D. Zasilacze typu Boost z regulacją prądu wyjściowego wymagają zastosowania kondensatora wyjściowego Co, aby utrzymać poziom prądu wyjściowego i tętnienia prądu na dopuszczalnym poziomie. W większości zasilaczy tego typu układ regulacji wykorzystuje pomiar wartości szczytowej prądu. 5.3. Układ zasilacza typu Buck-Boost Układ zasilacza impulsowego typu Buck-Boost stosowany jest wtedy, gdy zachodzi potrzeba sterowania pracą bardzo wielu diod LED połączonych szeregowo. Całkowite napięcie na łańcuchu diod może być wówczas większe, równe lub nieco niższe niż napięcia zasilającego. Na rysunku 4 przedstawiono schemat zasilacza typu Buck-Boost. D -Vo Vin L RFB Układ VFB regulacji Co LEDn LED1 Rys.4. Schemat zasilacza typu Buck-Boost Zasilacz Buck-Boost jest układem odwracającym polaryzację napięcia wejściowego. W pierwszej fazie cyklu pracy, gdy tranzystor jest załączony, w cewce gromadzona jest energia ze źródła zasilania. Dioda spolaryzowana jest zaporowo. W drugiej fazie cyklu pracy, gdy tranzystor jest wyłączony, prąd płynący przez cewkę zaczyna maleć, a napięcie na cewce zmienia znak. Energia z cewki przez diodę przekazywana jest do obciążenia. Napięcie wyjściowe ma odwrotną polaryzację w stosunku do napięcia wejściowego. Układ Buck-Boost, podobnie jak układ Boost wymaga zastosowania kondensatora wyjściowego, aby utrzymać ciągły prąd diod LED. 5.4. Regulacja jasności świecenia diod LED (Dimming) Jasność świecenia diod LED można regulować poprzez: • regulację prądu diody, taki sposób regulacji świecenia nazywany jest często regulacją analogową, • regulację współczynnika wypełnienia impulsu prostokątnego sterującego włączaniem i wyłączaniem prądu płynącego przez diody – regulacja cyfrowa PWM. Regulacja analogowa jest łatwa do realizacji w układzie zasilacza impulsowego. W miejsce rezystora ustalającego prąd diody włączany jest potencjometr, którym można regulować prąd diody, a tym samym jasność świecenia. Zależność jasności świecenia diody od prądu przez nią płynącego jest w przybliżeniu liniowa. Wadą takiej regulacji jest to, że przy zmianie prądu diody następuje przesunięcie długości fali świetlnej emitowanej przez diodę, a tym samym zmiana barwy światła. Przesunięcie to jest proporcjonalne do prądu. Białe diody LED wykonane są na bazie diod niebieskich pokrytych powłoką fosforu. Przy małych prądach płynących przez taką diodę, światło emitowane staje się bardziej żółte (ciepły odcień bieli), przy dużych prądach światło staje się bardziej niebieskie (zimny odcień bieli). Producenci diod LED określają prąd diody, dla którego gwarantują określoną długość fali świetlnej, zmiana tego prądu powoduje zmianę długości fali. T T T VDIM Dmin D tD tSU tSD tD tSU tSD Dmax tD tSU IF T=1/fDIM Dmin=(tD+tSU)/T Dmax=(T-tSD)/T Rys.5. Zależności czasowe w układzie ściemniania PWM SERWIS ELEKTRONIKI tSD Sterowanie pracą diod LED Regulacja cyfrowa – PWM gwarantuje, że długość fali świetlnej emitowanej przez diodę nie zmienia się, ponieważ regulacja cyfrowa polega na przerywaniu przepływu prądu – włączaniu i wyłączaniu prądu diody, a nie jak w przypadku regulacji analogowej na zmianie jego wartości. Im dłuższy jest czas wyłączenia prądu diody, tym jasność świecenia jest mniejsza. Częstotliwość sygnału PWM musi być taka, aby oko ludzkie uśredniło światło emitowane przez diodę i nie dostrzegło migotania związanego z włączaniem i wyłączaniem diody. Każdy układ sterujący pracą diod LED ma skończony czas reakcji na sygnał ściemniania PWM. Na rysunku 5 przedstawiono zależności czasowe w układzie ściemniania PWM. Na rysunku tym użyto następujących oznaczeń: VDIM – napięcie sterujące ściemnianiem diod LED, IF – prąd diod LED, Czas tD jest czasem opóźnienia propagacji – jest to czas od momentu pojawienia się stanu wysokiego w sygnale VDIM do momentu, gdy prąd diody IF zaczyna narastać. Czas tSU – jest czasem narastania prądu diod LED. Czas tSD – jest czasem opadania prądu diody LED. Im niższa jest częstotliwość sygnału ściemniania fDIM, tym wyższy jest współczynnik kontrastu * (Contrast Ratio), ponieważ opóźnienia tD, tSU, tSD są znacznie mniejsze od okresu T sygnału PWM. Minimalna częstotliwość ściemniania wynosi 120Hz, poniżej tej częstotliwości oko ludzkie będzie dostrzegało migotanie światła. Górna częstotliwość ściemniania zależy od wymaganego minimalnego współczynnika kontrastu. * Współczynnik kontrastu – “Contrast Ratio” – jest to parametr źródła światła określający stosunek maksymalnej luminancji do minimalnej luminancji źródła. Współczynnik kontrastu CR jest odwrotnością czasu załączania ton-min i wyraża się wzorem: CR = 1/ton-min, gdzie ton-min = tD + tSU. Układy scalone stosowane w impulsowych zasilaczach diod LED zwykle wyposażone są w wyprowadzenie “Enable” lub “Shutdown”, do którego można doprowadzić sygnał PWM ściemniania. Opóźnienia w układach scalonych są jednak znaczne. Optymalizacja układu ściemniania diod LED polega na zminimalizowaniu czasów narastania i opadania. Zasilacze typu Buck są układami, w których czasy opóźnienia są najmniejsze. Wynika to z faktu, że tylko w konwerterze typu Buck moc ze źródła jest dostarczana do obciążenia w czasie przewodzenia tranzystora kluczującego. Dzięki temu reakcja zasilacza na sygnał PWM jest znacznie szybsza niż reakcja układów Boost lub Buck-Boost. W konwerterze typu Buck cewka jest przyłączona do wyjścia przez cały czas załączenia tranzystora. Zapewnia to ciągły prąd wyjściowy i pozwala na eliminację kondensatora wyjściowego. Bez kondensatora wyjściowego zasilacz typu Buck jest wysokoimpedancyjnym źródłem prądowym reagującym bardzo szybko na sygnał PWM. L Vo Vin Q1 LED1 D VDIM LEDn Układ regulacji VFB RFB Rys.6. Układ ściemniania z tranzystorem kluczującym przyłączonym równolegle do obciążenia Niektóre zastosowania diod LED wymagają stosowania bardzo szybkich sygnałów PWM – powyżej 25kHz i dużego współczynnika kontrastu. W takich przypadkach nawet zastosowanie konwertera typu Buck bez kondensatora wyjściowego nie pozwoli na spełnienie wymagań. Czasy opóźnienia i propagacji dla tak szybkich sygnałów PWM muszą być na poziomie nanosekund. W takich przypadkach układ ściemniania realizuje się poprzez kluczowanie obciążenia tranzystorem przyłączonym równolegle do obciążenia – rys. 6. Wyłączenie diod LED polega na zwarciu obciążenia tranzystorem kluczującym Q1. Prąd obciążenia płynie przez tranzystor Q1, a nie przez diody. Taki sposób ściemniania powoduje, że napięcie wyjściowe zmienia się gwałtownie, a układ scalony sterujący konwerterem musi reagować na zmiany tego napięcia aby utrzymać stały prąd wyjściowy. Układy ściemniania nie są stosowane w zasilaczach typu Boost i Buck-Boost. Zasilacze te wymagają stosowania kondensatora wyjściowego w związku z czym czasy propagacji są bardzo duże. Ściemnianie tych układów przy użyciu tranzystora włączonego równolegle do obciążenia będzie powodowało zwarcie wejścia zasilacza. Rozwiązaniem w takim przypadku jest zastosowanie zasilacza dwustopniowego – pierwszy stopień typu Boost i drugi typu Buck. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie tranzystora kluczującego w szereg z obciążeniem – rysunek 7. Takie rozwiązanie może być stosowane tylko ze specjalizowanymi układami scalonymi przystosowanymi do sterowania tranzystorem układu ściemniania. D L Vo Vin Co LED1 LEDn Układ regulacji VFB1 RFB VFB2 VDIM VDRV Rys.7. Układ ściemniania w zasilaczu typu Boost z tranzystorem szeregowym SERWIS ELEKTRONIKI }
