układ detekcji impulsowego promieniowania źródła led

Marian GILEWSKI
UKŁAD DETEKCJI IMPULSOWEGO
PROMIENIOWANIA ŹRÓDŁA LED*)
STRESZCZENIE
W publikacji przedstawiono koncepcję układu pomiarowego źródła promieniowania widzialnego sterowanego impulsowo, np. lampy LED zasilanej sterownikiem PWM. Ze względu na
czasowe charakterystyki emisyjne takiego źródła, emitującego impulsy o częstotliwości około 10 kHz i zmiennym współczynniku wypełnienia, metody pomiarowe stosowane w układach stałoprądowych lub
sinusoidalnych niskiej częstotliwości stają się w tym przypadku mało
dokładne. W artykule omówiono podstawowe elementy toru pomiarowego, takie jak: układ konwersji promieniowania na sygnał elektryczny, wzmacniacz impulsowy, filtr aktywny toru pomiarowego, detektor
wartości szczytowej oraz stopień wyjściowy. W końcowej części zawarto wyniki badań laboratoryjnych oraz wyniki badań symulacyjnych
modelu fizycznego proponowanego układu.
Słowa kluczowe: impulsowe zasilanie LED, wzmacniacze sygnałów
impulsowych, filtry aktywne, detekcja wartości szczytowej
*)
Publikację zrealizowano w ramach pracy statutowej S/WE/1/2006
dr inż. Marian GILEWSKI
[email protected]
Katedra Automatyki i Elektroniki
Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej
Instytut Elektrotechniki
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 244, 2010
140
M. Gilewski
1. WSTĘP
Opracowanie i wdrożenie do produkcji współczesnych półprzewodnikowych źródeł światła stawia zwiększone wymagania częstotliwościowe miernikom promieniowania optycznego. W szczególności dotyczy to pomiarów lamp
LED zasilanych prądem o przebiegu impulsowym. Ta technika zasilania źródła,
umożliwiając cyfrową regulacje średniej mocy promieniowania, powoduje
szereg trudności metrologicznych. W szczególności, wyklucza stosowanie wielu
dotychczasowych przyrządów pomiarowych, których pasma częstotliwościowe
przystosowane było do układów zasilających stałoprądowych lub zmiennoprądowych sinusoidalnych w paśmie do 1 kHz.
Rys. 1. Rozkład widmowy okresowego przebiegu prostokątnego o częstotliwości 10 kHz
(symulacja przeprowadzona w programie PSpice Evaluation Version 9.1)
Zazwyczaj lampy LED zasilane są prądowymi impulsami prostokątnymi
o częstotliwości około 10 kHz i zmiennym współczynniku wypełnienia. Takie
zasilanie oraz mała bezwładność świetlna struktur półprzewodnikowych LED
powodują emisję promieniowania również o charakterze impulsowym. Oznacza
to, iż obwody wejściowe przyrządów pomiarowych takiego promieniowania
powinny posiadać charakterystyki częstotliwościowe, pozwalające przenieść
z małymi zniekształceniami powstałe w fotodetektorze sygnały elektryczne,
odpowiadające impulsom świetlnym źródła. Widmo częstotliwościowe sygnału
impulsowego (rys. 1) zawiera oprócz składowej harmonicznej o częstotliwości
podstawowej (np. 10 kHz) również składową stałą oraz wyższe harmoniczne.
Zatem zawężenie pasma częstotliwościowego w torze pomiarowym musi pro-
Układ impulsowego promieniowania źródła LED
141
wadzić do zniekształcenia przebiegów czasowych przetwarzanego sygnału.
W praktyce jest trudne do spełnienia wymaganie szerokości pasma wynikające
z rozkładu widmowego sygnału, o przebiegu zbliżonym do okresowego sygnału
prostokątnego, gdyż to oznaczałoby konieczność syntezy toru pomiarowego
o bardzo szerokim paśmie częstotliwościowym rzędu MHz. Oprócz trudności
konstrukcyjnych przyrząd szerokopasmowy jest wrażliwy na szumy i zakłócenia
w obecności malejących składowych widmowych sygnału użytecznego w zakresie wyższych częstotliwości.
Rys. 2. Synteza idealnego przebiegu prostokątnego ze składowej stałej oraz:
1 harmonicznej, 1 i 3 harmonicznych, 1 i 3 i 5 harmonicznych, 1 i 3 i 5 i 7 harmonicznych
Z kolei zbyt ostre obcięcie pasma częstotliwościowego do kilku
pierwszych harmonicznych powoduje, iż kształt przetwarzanego sygnału
w dalszej części toru pomiarowego znacznie odbiega od sygnału wejściowego
(rys. 2 – wyidealizowany przypadek ostrej filtracji przebiegu prostokątnego).
W rzeczywistości charakterystykę toru pomiarowego w zakresie wysokich częstotliwości kształtują zarówno przewidziane w tym celu filtry jak i parametry
wzmacniaczy oraz pasożytnicze elementy montażowe.
2. KONCEPCJA TORU POMIAROWEGO
W publikacji przedstawiono schemat toru pomiarowego amplitudy
promieniowania źródła światła kluczowanego częstotliwością 10 kHz. Wyniki
badań symulacyjnych i laboratoryjnych przedstawiono w następnym rozdziale.
142
M. Gilewski
Tor pomiarowy składa się (rys. 3) z pięciu bloków funkcjonalnych: stopnia
wejściowego, wzmacniacza sygnałów impulsowych, aktywnego filtru górnoprzepustowego, detektora wartości szczytowej oraz stopnia wyjściowego.
Występujące w układzie cztery wzmacniacze operacyjne stanowią strukturę
układu scalonego TL084, zaś pojemności C1 i C2 są elementami filtracji jego
zasilania.
Rys.3. Schemat toru pomiarowego impulsowego źródła promieniowania
Stopień wejściowy (konwerter prąd-napięcie [2, 5]) złożony z elementów:
W1, F1 i R1 jest układem konwersji promieniowania na sygnał elektryczny. Nie
ogranicza on pasma przenoszenia toru pomiarowego dla sygnałów impulsowych o częstotliwości około 10 kHz w przypadku wartości rezystancji R1 poniżej
100 kΩ.
Następny układ, zbudowany z elementów W2 oraz R2 i R3, wzmacnia sygnały impulsowe z poprzedniego stopnia. W przypadku dużej wartości wzmocnienia, określonej wartościami rezystancji R2 i R3 [4], może on ograniczać pasmo
przenoszenia w zakresie górnych częstotliwości, powodując zniekształcenia
wzmacnianych sygnałów. W takiej sytuacji korzystniejsze jest zastosowanie
kilku stopni o mniejszym wzmocnieniu połączonych łańcuchowo zamiast
pojedynczego stopnia zawężającego pasmo. Czynnikiem zniekształcającym
wzmacniane impulsy napięciowe może też być parametr maksymalnej szybkości narastania sygnału wyjściowego (Slew Rate − SR) zastosowanego wzmacniacza operacyjnego. Jeżeli wartość tego parametru jest zbyt mała następuje
zmniejszenie nachylenia zboczy impulsów prostokątnych. W przypadku układu
TL081 wartość SR wynosi około 13 V/μs.
Kolejny stopień jest filtrem aktywnym górno-przepustowym drugiego
rzędu [4] złożonym z elementów: W3, C3, C4, R4, R5 i R6. W badanym przypadku
dolna częstotliwość graniczna filtru wynosiła około 20 Hz. Filtr służy do wy-
Układ impulsowego promieniowania źródła LED
143
dzielenia z sygnału wyjściowego poprzedniego stopnia składowej zmiennej
poddawanej dalszej obróbce oraz eliminacja niepożądanych składowych
zakłócających, w tym promieniowania tła. Jeżeli mierzone promieniowanie
oprócz składowej impulsowej zawiera również znaczącą metrologicznie wartość
składowej stałej wówczas nie należy stosować filtru górno-przepustowego.
W omawianej sytuacji wpływ składowej stałej był pominięty.
Detektor wartości szczytowej, zbudowany z elementów D1 oraz R8 i C5,
przekształca mierzony sygnał na wartość napięcia stałego, proporcjonalnego do
1/2 wartości maksymalnej składowej zmiennej. Zastosowano najprostsze rozwiązanie detektora, w przypadku wymagania większej dokładności lub rozszerzenia zakresu pomiarowego można zastosować bardziej złożone specjalizowane
układy (np. [1]). Stopień wyjściowy, złożony z elementów W4 i R7, pełni rolę
stopnia separującego, który nie zmienia parametrów sygnału.
3. WYNIKI POMIARÓW I SYMULACJI
Zaproponowana w poprzednim rozdziale koncepcja toru pomiarowego
została przebadana laboratoryjnie z zastosowaniem źródła promieniowania
impulsowego oraz oscyloskopu. Źródło zbudowano zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 4. Badania symulacyjne przeprowadzono z użyciem programu
PSpice Evaluation Version 9.1.
Źródło promieniowania (rys. 4) zawiera zasilaną impulsami prądowymi LED
D1. Rezystancja R1 ustala wartość prądu
płynącego w gałęzi D1 na poziomie około
250 mA. Źródło prądowe U1 jest kluczowane sygnałem prostokątnym o regulowanej częstotliwości z zewnętrznego geneRys. 4. Schemat źródła promieniowaratora G1.
nia impulsowego
Na rysunku 5 przedstawiono oscylogramy zarejestrowane w wybranych punktach układu z rysunku 3. Pierwsza charakterystyka (1) jest sygnałem na wyjściu konwertera prąd-napięcie (wzmacniacza W1). Jest to sygnał o ujemnej polaryzacji z nieznaczną zawartością składowej stałej. Charakterystyka druga (2) jest wzmocnionym ponad siedmiokrotnie sygnałem z wyjścia konwertera, zmierzonym na wyjściu wzmacniacza W2.
Widoczne jest, iż wzmacniacz impulsowy nie zniekształca wzmacnianego
144
M. Gilewski
Rys. 5. Oscylogram przebiegów czasowych na wyjściach W1, W2 i W3
sygnału. Trzeci (3) przebieg jest sygnałem na wyjściu filtru (wzmacniacza W3).
Jest to sygnał pozbawiony składowej stałej. Na rysunku 6 przedstawiono wyniki
symulacji w tych samych punktach pomiarowych. Modele elementów używane
Rys. 6. Wyniki symulacji sygnałów w punktach pomiarowych z poprzedniego rysunku
w programie symulacyjnym odzwierciedlają tylko wybrane charakterystyki elementów rzeczywistych. Struktura symulowanego układu nie zawierała więc
trudnych do zmierzenia parametrów elementów pasożytniczych i montażowych.
Ponadto do symulacji, jako sygnał wejściowy zastosowano idealny przebieg
prostokątny o częstotliwości 10 kHz i amplitudzie zbliżonej do wartości w fizycznym układzie. W efekcie otrzymano wyidealizowane wyniki symulacji sygnałów,
zbliżone do sygnałów w rzeczywistym układzie.
Układ impulsowego promieniowania źródła LED
145
Następny oscylogram (z rysunku 7) zawiera sygnały z wyjścia konwertera (1), wzmacniacza impulsowego (2) oraz (3) z wyjścia układu (wzmacniacza W4).
Trzeci przebieg jest składową stałą, proporcjonalną do połowy amplitudy sygnału z wyjścia filtru (dodatniej połowy przebiegu), pomniejszoną o spadek napięcia na diodzie D1. W celu ograniczenia wpływu spadku napięcia na D1,
w układzie można zastąpić zastosowany układ detektora szczytowego prostownikiem idealnym [3] z filtrem lub specjalizowany układ do wyznaczania
wartości maksymalnej lub wartości skutecznej sygnału zmiennego [1].
Rys. 7. Oscylogram przebiegów czasowych na wyjściach
W1, W2 i W4
Rys. 8. Oscylogram przebiegów czasowych na wyjściach
W1, W2 i W3 w przypadku
pomiaru sygnałów impulsowych o częstotliwości 20 kHz
Źle dobrane parametry i pasmo częstotliwościowe toru pomiarowego sygnałów
impulsowych prowadzi do zniekształcenia sygnału mierzonego, w efekcie
powodując większe błędy pomiarowe. Taką sytuację odzwierciedla oscylogram
z rysunku 8, gdy badany układ użyto do pomiaru sygnałów impulsowych
o częstotliwości wyższej niż 10 kHz.
146
M. Gilewski
Ostatni rysunek (rys. 9) przedstawia wyniki symulacji napięcia wyjściowego toru pomiarowego w dłuższym odcinku czasu. Pokazuje on przebieg
procesu przejściowego po włączeniu układu. Jest to sytuacja trudna do zarejestrowania w warunkach laboratoryjnych, gdyż układy są zazwyczaj badane
w stanie ustalonym. Czas trwania stanu nieustalonego w torze pomiarowym jest
odwrotnie proporcjonalny do wartości pojemności C5 i rezystancji R8. W badanym układzie fizycznym wartość pojemności C5 wynosiła 1 μF. W symulowanym
przypadku wartość C5 zmniejszono do poziomu 100 nF, uzyskując czas trwania
stanu nieustalonego około 300 ms. Dalsze zmniejszanie pojemności filtrującej
skraca czas trwania stanu nieustalonego, powodując jednak większe tętnienia
napięcia stałego na wyjściu układu. W symulowanym przypadku niewidoczna
amplituda tętnień była mniejsza od 1 mV. Z kolei zmniejszanie wartości rezystancji R8 prowadzi do zwiększenia prądu ładującego pojemność filtrującą. Maksymalna wartość natężenia tego prądu jest również ograniczona wydajnością prądową wzmacniacza operacyjnego.
Rys. 9. Stan przejściowy na wyjściu badanego toru pomiarowego
4. PODSUMOWANIE
Zaproponowany układ umożliwia pomiar amplitudy impulsowego źródła
promieniowania optycznego. Rozwiązanie aplikacyjne posiadało parametry
techniczne dopasowane do konkretnego typu źródła promieniowania, w tym
przypadku czerwonej diody LED, zasilanej impulsowo z częstotliwością 10 kHz.
147
Układ impulsowego promieniowania źródła LED
Z przeprowadzonych badań wynika, iż sam układ pomiarowy nie powinien
generować dodatkowych błędów pomiarowych, których źródłem byłyby zniekształcenia mierzonego sygnału impulsowego. Mimo, że badania symulacyjne
operują na uproszczonych modelach elementów wytwarzając wyidealizowane
charakterystyki układu, uzupełniają jednak jego analizę w procesach przejściowych, trudnych do zmierzenia laboratoryjnie.
LITERATURA
1. Analog Devices: Wideband RMS-to-DC Converter AD637, www.analog.com, 2007.
2. Dybczyński W.: Miernictwo
Białostockiej, Białystok, 1996.
promieniowania
optycznego,
Wydawnictwa
Politechniki
3. Erickson R.W., Maksimovic D.: Fundamentals of Power Electronics, Springer, 2001.
4. Guziński A.: Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT, Warszawa, 1994.
5. Hamamatsu Photonics K.K.: Si pin photodiode S1226-18BQ, www.hamamatsu.com, 2010.
Rękopis dostarczono, dnia 26.03.2010 r.
Opiniował: prof. dr hab. inż. Maciej Rafałowski
THE DETECTION CIRCUIT
OF PULSED LED LIGHT
Marian GILEWSKI
ABSTRACT
This paper describes an idea of measured circuit
of a pulsed light. Nowadays a pulse driving is applying for supply
many light sources, e.g. LEDs lamps. LEDs switching frequency
averages about 10 kHz so conventional light meters can’t be used for
measurement timing parameters they lamps. The circuit contains
following blocks: light to voltage converter, pulsed amplifier, high
frequency filter, peak detector and output buffer. A shape of measured
pulsed signal isn’t deformed in each of the above blocks because
frequency band of the circuit was adjusted to its frequency distribution.
The measured results are presenting timing characteristics of electrical
signals in important measuring points. They can be compared with
results of the circuit simulation.
148
M. Gilewski
Dr inż. Marian Gilewski w 1988 roku uzyskał stopień mgr inż.
elektronika na Wydziale Elektroniki Politechniki Gdańskiej. W roku 1990
ukończył studia uzupełniające w Instytucie Organizacji i Projektowania
Systemów Produkcyjnych PG uzyskując tytuł mgr inż. organizatora
przemysłu. W roku 2004 obronił rozprawę doktorską na Wydziale Elektrycznym Politechniki Białostockiej uzyskując stopień doktora nauk technicznych w dziedzinie elektrotechniki. Aktualnie pracuje w Katedrze Automatyki i Elektroniki PB zajmując się tematyką metrologii promieniowania optycznego, cyfrowymi układami programowalnymi strukturalnie
i wybranymi zastosowaniami układów analogowych. Jest autorem ponad 40 publikacji w czasopismach i materiałach konferencyjnych
.