UKŁAD DETEKCJI IMPULSOWEGO PROMIENIOWANIA ŹRÓDŁA LED *)

Transkrypt

1 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 pbwemagi@pb.edu.pl Katedra Automatyki i Elektroniki Wydział Elektryczny Politechniki Białostockiej Instytut Elektrotechniki PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 244, 2010

2 140 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-

3 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.

4 142 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 C 1 i C 2 są elementami filtracji jego zasilania. Rys.3. Schemat toru pomiarowego impulsowego źródła promieniowania Stopień wejściowy (konwerter prąd-napięcie [2, 5]) złożony z elementów: W 1, F 1 i R 1 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 R 1 poniżej 100 kω. Następny układ, zbudowany z elementów W 2 oraz R 2 i R 3, wzmacnia sygnały impulsowe z poprzedniego stopnia. W przypadku dużej wartości wzmocnienia, określonej wartościami rezystancji R 2 i R 3 [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: W 3, C 3, C 4, R 4, R 5 i R 6. W badanym przypadku dolna częstotliwość graniczna filtru wynosiła około 20 Hz. Filtr służy do wy-

5 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 W 4 i R 7, pełni rolę stopnia separującego, który nie zmienia parametrów sygnału. 3. WYNIKI POMIARÓW I SYMULACJI Rys. 4. Schemat źródła promieniowania impulsowego 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 D 1. Rezystancja R 1 ustala wartość prądu płynącego w gałęzi D 1 na poziomie około 250 ma. Źródło prądowe U 1 jest kluczowane sygnałem prostokątnym o regulowanej częstotliwości z zewnętrznego generatora G 1. Na rysunku 5 przedstawiono oscylogramy zarejestrowane w wybranych punktach układu z rysunku 3. Pierwsza charakterystyka (1) jest sygnałem na wyjściu konwertera prąd-napięcie (wzmacniacza W 1 ). 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 W 2. Widoczne jest, iż wzmacniacz impulsowy nie zniekształca wzmacnianego

6 144 M. Gilewski Rys. 5. Oscylogram przebiegów czasowych na wyjściach W1, W2 i W3 sygnału. Trzeci (3) przebieg jest sygnałem na wyjściu filtru (wzmacniacza W 3 ). 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.

7 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 W 4 ). Trzeci przebieg jest składową stałą, proporcjonalną do połowy amplitudy sygnału z wyjścia filtru (dodatniej połowy przebiegu), pomniejszoną o spadek napięcia na diodzie D 1. W celu ograniczenia wpływu spadku napięcia na D 1, 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.

8 146 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 C 5 i rezystancji R 8. W badanym układzie fizycznym wartość pojemności C 5 wynosiła 1 μf. W symulowanym przypadku wartość C 5 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 R 8 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.

9 Układ impulsowego promieniowania źródła LED 147 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, Dybczyński W.: Miernictwo promieniowania optycznego, Wydawnictwa Politechniki Białostockiej, Białystok, Erickson R.W., Maksimovic D.: Fundamentals of Power Electronics, Springer, Guziński A.: Liniowe elektroniczne układy analogowe, WNT, Warszawa, Hamamatsu Photonics K.K.: Si pin photodiode S BQ, Rękopis dostarczono, dnia 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.

10 148 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.