Pełny tekst

Lech GRODZKI
STAŁOPRĄDOWE STEROWANIE
DIODĄ RGB*)
STRESZCZENIE
Układ sterowania wyświetlaczem z diodami
RGB powinien umożliwiać z jednej strony emisję wybranej barwy
emitowanego światła, a z drugiej – jej stabilizację w różnych warunkach pracy. Polega to na zapewnieniu właściwych proporcji pomiędzy
prądami płynącymi przez składowe elementy diody. Przez szereg lat
powyższe zadania realizowano w oparciu o drivery mocy sterowane
sygnałami PWM. Nowoczesne układy scalone pozwalają przejść na
tryb stałoprądowy. Upraszcza to zadania realizowane przez mikrokontroler nadzorujący wyświetlacz. Pozostaje mu jedynie wyznaczanie proporcji pomiędzy składowymi prądami diody i ewentualna ich
korekcja, uwzględniająca zmienne warunki jej pracy. Artykuł prezentuje możliwości wybranych układów scalonych Texas Instruments,
które w połączeniu z mikrokontrolerem umożliwiają sterowanie diod
LED wraz z kompensowaniem niekorzystnych wpływów czynników
zewnętrznych.
Słowa kluczowe: sterowanie stałoprądowe LED RGB, mikrokontrolery
1. STEROWANIE PRACĄ DIOD LED RGB
Zadaniem układu sterowania diodą LED RGB jest uzyskanie strumienia
światła o wybranym natężeniu i barwie. Są to dwa podstawowe parametry
użytkowe diody LED RGB jako regulowanego źródła światła, stosowanego do
oświetlania elementów architektury, przedmiotów sztuki, itp. Regulacje tych
*)
Zrealizowano w ramach pracy S/WE/1/06
dr inż. Lech GRODZKI
e-mail: [email protected]
Politechnika Białostocka
Wydział Elektryczny
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 245, 2010
130
L. Grodzki
parametrów uzyskuje się sterując odpowiednio monochromatyczne komponenty
diody, emitujące światło czerwone, zielone i niebieskie. Głównymi czynnikami
elektrycznymi wpływającymi na pracę diody RGB są prądy świecenia płynące
przez jej diody składowe. Kontrolując te prądy można:
• zmieniać proporcje między monochromatycznymi strumieniami światła
ΦR, ΦG, ΦB w celu zmiany barwy strumienia wypadkowego;
• regulować natężenie emitowanego światła przez odpowiednie jednoczesne zwiększanie lub zmniejszanie prądów składowych IFR, IFG i IFB;
• korygować wpływ na jasność i barwę diody takich czynników środowiskowych, jak temperatura otoczenia czy też starzenie się samej diody LED.
Powszechnie stosowaną metodą regulacji prądów świecenia diod LED
jest zastosowanie sterowania PWM. Wykorzystuje ono z jednej strony całkujące
właściwości zmysłu wzroku, a z drugiej jego ułomność w postrzeganiu szybkich
zjawisk. Dobierając odpowiednio współczynniki wypełnienia uzyskuje się
regulację strumienia emitowanego światła jako sumy strumieni składowych:
Φ = ΦR + ΦG + ΦB
(1)
Na tej samej zasadzie uzyskuje się regulację barwy światła – zmiana proporcji
pomiędzy strumieniami światła ΦR, ΦG, ΦB skutkuje zmianą obserwowanej
barwy.
W praktycznych realizacjach wykorzystuje się układy analogowe [2],
mikrokontrolery [7], a nawet struktury FPGA [6]. Niewątpliwą niedogodnością tej
metody jest konieczność generowania jednocześnie w wielu kanałach przebiegów prostokątnych o odpowiednio wysokiej częstotliwości i regulowanym
współczynniku wypełnienia. Dlatego warto zwrócić uwagę na alternatywne
techniki sterowania pracą diod LED.
2. UKŁADY DO STEROWANIA STAŁOPRĄDOWEGO
2.1. Ogólna charakterystyka
W ofercie firmy Texas Instruments można znaleźć grupę układów
scalonych przeznaczonych do sterowania stałoprądowego grupą 16 diod LED,
z niezależną korekcją wartości prądu świecenia. Są to układy: TLC5922,
TLC5923 i TLC5924. Mają one szereg cech wspólnych [3, 4, 5]:
131
Stałoprądowe sterowanie diodą RGB
• 16 kanałów wyposażonych w sterowane źródła prądowe w zakresie
0–80 mA i dokładności ±1%;
• 7-bitowy współczynnik korekcji wartości prądu niezależnie w każdym
kanale wyjściowym;
• indywidualne włączanie i wyłączanie kanałów wyjściowych;
• napięcie zasilania układu 3,0–5,5 V;
• napięcie zasilania diod LED do 17 V, umożliwiające sterowanie diodami
połączonymi szeregowo;
• szeregowy interfejs synchroniczny typu SPI, o szybkości do 30 MHz,
umożliwiający nadrzędnemu mikrokontrolerowi sterowanie pracą
układu;
• wejście jednoczesnego wygaszania wszystkich kanałów wyjściowych;
• możliwość kaskadowego łączenia magistralą SPI większej liczby układów.
Sterując jednocześnie grupą kilku diod LED zależy nam na zapewnieniu
im identycznych punktów pracy, ponieważ gwarantuje to równomierne ich
świecenie. W przypadku omawianych układów, producent gwarantuje różnice
wartości prądów regulowanych źródeł prądowych na poziomie ±1% w obrębie
danego egzemplarza układu scalonego i maksimum ±4% w grupie układów
scalonych. Są to satysfakcjonujące dane, jeśli uwzględni się, z jakimi rozrzutami
parametrów pracy spotykamy się w przypadku samych diod LED.
Oprócz cech wspólnych omawiane układy nieznacznie się różnią, co
ilustruje tabela 1.
TABELA 1
Różnice parametrów użytkowych układów TLC5922/23/24
Operacja
zakres temperatur pracy
kontrola przerwy w torze wyjściowym
sygnalizacja przegrzania struktury
maksymalne napięcie zasilania diod ULEDMAX
obwód podładowania tranzystora wyjściowego
(pre-charge FET)
TLC5922
-20 ÷ 85°C
17 V
TLC5923
-40 ÷ 85°C
+
+
17 V
TLC5924
-40 ÷ 85°C
+
+
16 V
-
-
+
2.2. Autonomiczna praca układów
Prezentowane układy mogą pracować samodzielnie, bez nadrzędnego
mikrokontrolera, ale w takim przypadku ich działanie polegałoby na stałym
włączeniu wszystkich kanałów wyjściowych z ustaloną wydajnością prądową,
132
L. Grodzki
jednakową dla wszystkich wyjść. Jedynym sposobem regulacji wydatku źródeł
prądowych byłaby zmiana wartości rezystora zewnętrznego RIREF, Opornik ten
włącza się pomiędzy masę a wbudowane w układ źródło napięcia referencyjnego 1,24 V. Maksymalną wartość prądu w torach wyjściowych określa wtedy
wzór:
IOUTMAX = 1,24V · 40 : RIREF
(2)
Przy czym wartość RIREF nie powinna być mniejsza niż 600 Ω. Powyższą
zależność ilustruje wykres z rysunku 1.
Drugim sposobem sterowania pracą diod LED przy pracującym autonomicznie układzie jest kluczowanie wyjść sygnałem sterującym BLANK, którego
wysoki poziom logiczny wyłącza wszystkie wyjścia.
IOUTMAX [mA]
100
80
60
40
20
0
500
1000
1500
2000
2500
3000 RIREF [Ω]
Rys. 1. Zależność prądu wyjściowego IOUTMAX od wartości dołączonego rezystora RIREF
Ponadto w przypadku układów TLC5923/24 można skorzystać z ich
sygnału wyjściowego XERR informującego o wykryciu błędu w pracy włączonych diod (przerwa w obwodzie) lub przegrzaniu się struktury układu scalonego.
Układ TLC5924 posiada dodatkowo obwód podładowania tranzystorów
wyjściowych (pre-charge FET) służący poprawie jakości dynamicznie zmieniających się obrazów prezentowanych na wyświetlaczu złożonym ze sterowanych
diod LED. Obwód ten wykorzystuje dodatkowo doprowadzone do układu napięcie zasilania elementów LED ULED.
Gdyby obciążalność wyjść układów, wynosząca 80 mA, była niewystarczająca, możliwe jest równoległe łączenie dowolnej ich liczby. Rozwiązanie
133
Stałoprądowe sterowanie diodą RGB
takie zaleca sam producent w jednej z not aplikacyjnych [1]. W takim przypadku
wypadkowy prąd połączonych wyjść oblicza się według wzoru:
IOUTN = N · IOUTMAX
(3)
Ponieważ prezentowane układy posiadają po 16 wyjść prądowych, to
w przypadku sterowania diod LED RGB mocy można przykładowo połączyć te
wyjścia w 3 grupy po 5 wyjść. Uzyskujemy wtedy maksymalne prądy składowych monochromatycznych diody rzędu 400 mA.
2.3. Współpraca z systemem
mikroprocesorowym
Właściwym zastosowaniem układów TLC5922/23/24 jest podłączenie
ich do nadrzędnego mikrokontrolera. Dopuszczalny zakres napięć zasilania
(3,3–5 V) pozwala na współpracę układów, zarówno ze starszymi, jak i współczesnymi mikrokontrolerami. Przykładowe podłączenie układów do mikrokontrolera z rodziny AVR ilustruje rysunek 2. Przy połączeniu z nadrzędnym procesorem wykorzystuje się wbudowany w układy interfejs SPI-slave. Dzięki niemu
nadrzędny mikrokontroler może przesyłać do układu:
• 16-bitowe słowo ON-OFF indywidualnie włączające lub wyłączające poszczególne kanały (rys. 3a);
• 112-bitowe słowo składające się z szesnastu 7-bitowych współczynników programujących prądy IOUTX w każdym z kanałów wyjściowych (rys. 3b).
ATmega8515
SIN
SCLK
MODE
XLAT
BLANK
XERR
TLC5923
SOUT
VCC
PGND
PB6/MISO
PB5/MOSI
PB7/SCK
PB2
PB4
PB3
PB1
OUT0
OUT1
:
:
:
OUT14
OUT15
ULED
GND
IREF
UCC
100nF
RIREF
Rys. 2. Typowa aplikacja z mikrokontrolerem jako układem nadrzędnym
Do rozróżnienia tych dwóch transmisji służy dodatkowe wejście sterujące
MODE. Transmisja kończy się impulsem na wejściu zatrzaskującym XLAT,
134
L. Grodzki
którego narastające zbocze powoduje zapamiętanie informacji w odpowiednich
rejestrach wewnętrznych układu. Ponadto, w przypadku układów TLC5923
i TLC5924 możliwy jest odczyt 16-bitowego słowa błędów. Polega to na tym, że
opadające zbocze impulsu XLAT odczytuje stan układów wykrywających przerwy w kanałach wyjściowych do rejestru przesuwającego. Rejestr ten odczytuje
się poprzez wyjście danych SOUT interfejsu SPI, podając 16 kolejnych impulsów zegara SCK. Możliwy jest też, zgodnie ze specyfikacją SPI, jednoczesny
zapis nowego słowa sterującego ON-OFF i odczyt słowa błędów.
a)
OUT15 OUT14 OUT13
...
OUT2 OUT1 OUT0
DC15.6DC15.5 . . . DC15.0 DC14.6
...
DC1.0 DC0.7
b)
...
DC0.1 DC0.0
Rys. 3. Formaty słów sterujących układami TLC5922/23/24:
a) 16-bitowe słowo ON-OFF; b) 112-bitowe słowo współczynników prądowych DCX
Wyprowadzenie XERR, sygnalizujące w układach TLC5923/24 wykryte
usterki w pracy, jest typu otwarty dren (OD). Wykrycie przerwy w chociaż
jednym torze wyjściowym lub przegrzania się układu powoduje zwarcie tego
wyjścia do masy. Zastosowana konfiguracja OD umożliwia dołączenie wielu
takich wyjść do wspólnej linii, by sygnalizować mikrokontrolerowi błędy w pracy
układów. Stan tej linii może być cyklicznie testowany przez mikrokontroler lub
wykorzystany jako sygnał jego przerwania zewnętrznego.
Szczególnie użyteczna przy współpracy z mikrokontrolerem jest możliwość indywidualnej regulacji prądów wyjściowych. Dla każdego z 16 wyjść
przewidziane jest 7-bitowe słowo współczynnika DCX, którego wartość określa
aktualny prąd wyjściowy danego źródła prądowego. Regulacja odbywa się
w zakresie od 0 mA do wartości IOUTMAX, wynikającej z wartości rezystora
zewnętrznego RIREF (wzór 2). Podany przedział wartości prądów wyjściowych
jest podzielony na 128 równych kwantów. Przy IOUTMAX = 80 mA oznacza to
rozdzielczość regulacji prądu równą 625 μA. Jest to wartość w zupełności
wystarczająca do precyzyjnego sterowania składowymi prądami diody LED
RGB. Dzięki temu zmieniając odpowiednio wartości współczynników DCX
możemy kontrolować jasność świecenia diody z jednoczesnym utrzymaniem
założonej barwy jej światła. Ponieważ diody LED są elementami nieliniowymi,
regulacja jasności poprzez proste skalowanie wartości współczynników DCX dla
barw składowych nie zdaje egzaminu. Konieczne jest zastosowanie dodatkowych przeliczeń, wykorzystujących odpowiednio stablicowane charakterystyki Φ = f(IF) dla poszczególnych składowych monochromatycznych.
135
Stałoprądowe sterowanie diodą RGB
Sterując diodą LED RGB mocy, przy koniecznym z racji wymaganych
prądów roboczych, równoległym połączeniu N wyjść układu, uzyskujemy bardzo
szeroki zakres regulacji prądów IFR, IFG, IFB. Ponieważ każde z połączonych
równolegle wyjść może niezależnie przyjmować 128 wartości z przedziału
<0 mA ; IOUTMAX>, wypadkowe prądy mogą być regulowane w przedziale
<0 mA ; N · IOUTMAX>, w N · 128 krokach każdy:
IFR(G,B) = DC1 · IOUTMAX + DC2 · IOUT2 + ... + DCN · IOUTN
(4)
2.4. Wybrane wyniki badań
Dane katalogowe prezentowanych układów firmy Texas Instruments
podają, że minimalny czas trwania dodatniego impulsu sygnału taktującego
interfejs szeregowy wynosi 20 ns, natomiast maksymalna częstotliwość tego
sygnału określona jest na 30 MHz. W praktyce transmisję można zrealizować
programowo lub z wykorzystaniem wbudowanego w mikrokontroler interfejsu
SPI. Dla układu z rysunku 2 napisano niezbędne oprogramowanie w języku
asemblera AVR. Do uruchomienia i testowania programów wykorzystano
środowisko AVRStudio. Przeprowadzone próby z mikrokontrolerem taktowanym
typową częstotliwością 10 MHz, pozwalają oszacować czasy realizacji poszczególnych operacji kontrolno-sterujących dla omawianych układów. Uzyskane
wyniki podaje tabela 2.
TABELA 2
Czasy programowej i sprzętowej realizacji poszczególnych operacji kontrolno-sterujących dla
układów TLC5922/23/24
Operacja
przesłanie 16-bitowego słowa sterującego ON/OFF
przesłanie 112-bitowego słowa korekcji prądów
przesłanie 16-bitowego słowa sterującego ON/OFF z jednoczesnym odczytem słowa błędów (nie dotyczy TLC5922)
włączenie/wyłączenie grupy 16 diod sygnałem BLANK
minimalny okres sygnału taktującego SCLK
Realizacja
programowa
sprzętowa
22,3 μs
9,1 μs
144,1 μs
82,1 μs
25,7 μs
9,7 μs
0,3 μs
0,4 μs
0,3 μs
0,2 μs
Wykorzystanie języka wysokiego poziomu (np. C) do obsługi prezentowanych układów przez mikrokontroler może skutkować nieco większymi czasami realizacji poszczególnych operacji. Będzie to zależało od zastosowanych
technik programowania, jak też i wybranych opcji optymalizacji kodu przez
użyty kompilator.
136
L. Grodzki
Z przedstawionych w tabeli danych wynika, że zastosowanie sprzętowego interfejsu SPI umożliwia nawet dwukrotne przyśpieszenie procesu obsługi
układów przez nadrzędny mikrokontroler, co przy większej liczbie nadzorowanych driverów LED nabiera znaczenia. Zestawione wartości wskazują, że
możliwa jest aktualizacja słowa włączającego poszczególne kanały LED do
100000 razy na sekundę, a regulacja wartości prądów włączonych wyjść może
odbywać się około 10000 razy na sekundę. Są to dość duże wartości, biorąc
pod uwagę zdolności postrzegania oka ludzkiego. Nie wykorzystując w pełni
powyższych możliwości czasowych, mamy do dyspozycji moc obliczeniową
procesora pozwalającą na realizowanie dodatkowych obliczeń, związanych
chociażby z korygowaniem wartości współczynników prądowych DCX przy
regulacji jasności świecenia diody.
3. PODSUMOWANIE
Sterowanie stałoprądowe diodami LED RGB może stanowić alternatywę
dla innych, do tej pory wykorzystywanych rozwiązań (zasilanie impulsowe,
układy z PWM). Wykorzystanie przy tym dedykowanych układów scalonych
pozwala znacząco odciążyć procesor odpowiedzialny za pracę wyświetlacza
czy też źródła światła. Przedstawiona w artykule koncepcja regulacji prądów
składowych monochromatycznych diody RGB mocy może być z łatwością
rozszerzona na czterokolorowe diody świecące, które coraz częściej stają się
obiektem zainteresowań ze względu na lepsze oddawanie kolorów oświetlanych przedmiotów. Przedstawione w artykule trzy układy firmy Texas Instruments do stałoprądowego sterowania diodami LED nie są jedynymi tego typu
propozycjami w ofercie tej i innych firm.
LITERATURA
1. Day M.: LED driver - Paralleled Outputs Provide High-Current Outputs. Application report on
www.ti.com., 2006.
2. Gilewski M., Karpiuk A.: Elektroniczna stabilizacja parametrów świetlnych LED RGB. Przegląd Elektrotechniczny, nr 8, str. 194-198, 2008.
3. Texas Instruments: TLC5922 LED driver. Datasheets on www.ti.com, 2009.
4. Texas Instruments: TLC5923 16-channel LED driver with dot correction. Datasheets on
www.ti.com, 2005.
137
Stałoprądowe sterowanie diodą RGB
5. Texas Instruments: TLC5924 16-channel LED driver with dot correction and pre-charge FET.
Datasheets on www.ti.com, 2006.
6. Wojtkowski W.: Wielokanałowa regulacja jasności świecenia diod LED z wykorzystaniem
układów programowalnych FPGA. Przegląd Elektrotechniczny, nr 11, str. 310-312, 2009.
7. Wojtkowski W.: Wykorzystanie sprzętowych bloków PWM mikrokontrolerów AVR do regulacji
jasności świecenia diod LED dużej mocy. Przegląd Elektrotechniczny, nr 11, str. 306-309,
2009.
Rękopis dostarczono dnia 26.03.2010 r.
Opiniował: prof. dr hab. Jacek Sosnowski
CONSTANT-CURRENT
RGB LED DRIVING
Lech GRODZKI
ABSTRACT
LED RGB driving circuit should allow to emit the
chosen colour of light and to stabilise it according to changing
working conditions. It is realised by the control the value of the
monochrome component currents. Usually that task is achieved using
multi-channel PWM circuits, which are controlled by supervising
microcontroller. But new integrated circuits widen the methods of LED
control. Those chips, also working under microprocessor control,
realise the constant-current supplying of LED diodes. In addition, we
can control each of the sixteen output currents individually in over 120
steps from 0 to maximum value. The paper contains the description
of main properties of such integrated circuits and some results
of realised research works on their application features.
Dr inż. Lech GRODZKI – absolwent Wydziału Elektrycznego
Politechniki Białostockiej (1985). W 1996 r. uzyskał tam również
stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie elektrotechnika. Obecnie pracuje jako adiunkt w Katedrze Automatyki
i Elektroniki Politechniki Białostockiej. Zajmuje się projektowaniem i programowaniem sterowników mikroprocesorowych.
138
L. Grodzki