Sterowanie pracą diod LED

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 }