Sterowanie pracą diod E Sterowanie pracą diod E Andrzej Brzozowski iody E coraz częściej stosowane są w systemach oświetlenia domowego, ulicznego, stadionów, w układach podświetlania ekranów C. Nowoczesne diody E charakteryzują się wysoką trwałością i efektywnością świetlną, ale wymagają spełnienia określonych warunków zasilania. W artykule omówiono podstawowe typy konwerterów C- C zasilających systemy oświetlenia z diodami E. 1. Budowa diody E ioda E 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 E. Były one dostępne na rynku elektronicznym już pod koniec lat 60. ubiegłego wieku i masowo stosowane były w wyświetlaczach siedmiosegmentowych. iody 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 E: poprzez mieszanie światła pochodzącego z diod czerwonej, niebieskiej i zielonej, poprzez konwersję długości fali świetlnej. ioda będąca połączeniem diod E czerwonej, niebieskiej i zielonej emituje światło białe o bardzo dobrym współczynniku CRI *. iody wykonane w takiej technologii stosowane są w wysokiej jakości układach podświetlenia (np. ekranów C). Prostsza i bardziej ekonomiczna jest druga technologia wytwarzania białych diod E 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 E ma wysoki współczynnik CRI, ale jej światło może być niejednorodne ze względu na sposób wywarzania warstwy fosforu. * Współczynnik CRI (ang. lour 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 E 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 E oferują diody o wydajności 150 lm/w. la porównania wydajność żarówki jest na poziomie 15 lm/w, a wydajność lamp fluorescencyjnych na poziomie 70 lm/w. Problem z wydajnością diod E 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 E. 3. Parametry diod E W tablicy 1 podano podstawowe parametry diod E. Tablica 1. ³ugoœæ fali œwiat³a [ nm ] Parametry diod E Kolor Napiêcie wsteczne diody dla pr¹du diody I f = 20mA 940 podczerwieñ 1.5 635 czerwony 2.0 570 zielony 2.0 430 niebieski 3.8 425-675 bia³y 3.6 Białe diody E ze względu na kolor emitowanego światła dzieli się na: warm white E diody emitujące światło białe ciepłe temperatura barwy takiego światła jest poniżej 3300K; jest to światło zbliżone do światła żarówki, neutral white E diody emitujące światło neutralne o temperaturze barwy z zakresu 3300K - 5300K, cool white E diody emitujące białe światło zimne o temperaturze barwy powyżej 5300K. SERWIS EEKTRONIKI
Sterowanie pracą diod E 4. Zastosowania diod E iody E o wysokiej wydajności świetlnej stosowane są w urządzeniach zasilanych z baterii, gdzie wysoka wydajność źródła światła pozwala na wydłużenie czasu życia baterii. iody E charakteryzują się bardzo krótkim czasem włączania i wyłączania. Ten parametr zadecydował o tym, że są coraz częściej stosowane w światłach samochodowych. iody E nie zawierają ołowiu i rtęci spełniają wymagania norm ROHS określających dopuszczalną zawartość pierwiastków szkodliwych takich jak ołów, rtęć, kadm, chrom. zięki temu wykorzystywane są w układach podświetlenia ekranów C spełniających standardy ROHS. ampy 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 E stosowane są wszędzie tam, gdzie wymagana jest wysoka niezawodność źródła światła - np. w systemach oświetlenia ulicznego, czy awaryjnego. 5. Sterowanie pracą diod E Jaskrawość świecenia diody E zależy od prądu diody w kierunku przewodzenia. Napięcie na diodzie zależy od koloru diody i prądu przewodzenia. y sterowania pracą diod E 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 E. a) źródło napięcia z rezystorem szeregowym RB c) przełączane kondensatory d) zasilacz impulsowy b) stabilizator liniowy Rys.1. Podstawowe układy sterujące diodami E 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. z przełączanymi kondensatorami z rys.1.c stosowany jest w układach z małym prądem diody, gdy napięcie wejściowe jest niższe niż napięcie na diodzie. y 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 E 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 E, układ impulsowy powinien być układem z regulacją prądu wyjściowego powinien stanowić źródło prądowe. Systemy oświetlenia wymagające zastosowania wielu diod E wykorzystują diody E połączone szeregowo. Połączenie szeregowe diod E gwarantuje, że prąd płynący przez każdą z diod jest taki sam. Większość systemów oświetlenia z diodami E zasilana jest z sieci. Napięcie sieci jest najpierw zamieniane na napięcie stałe C w zasilaczu z układem PFC. Następnie napięcie C zasila konwerter C-C typu Buck, Boost lub Buck-Boost. Napięcie wyjściowe z konwertera zasila diody E. Najczęściej konwertery C-C zasilające diody E zasilane są napięciami: 12V, 24V, rzadziej 48V. W niektórych systemach stosowane jest napięcie zasilające 60V. Zgodnie ze standardami bezpieczeństwa jest to maksymalne bezpieczne napięcie C. 5.1. zasilania typu Buck jako źródło prądowe Na rysunku 2 przedstawiono schematy zasilacza typu SERWIS EEKTRONIKI
Sterowanie pracą diod E a) b) 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. 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: V o = V fb (R FB1 R FB2 )/R FB1. Cewka określa maksymalną amplitudę składowej zmiennej prądu wyjściowego, kondensator C o filtruje napięcie wyjściowe. Wartość średnia prądu płynącego przez cewkę jest równa prądowi obciążenia. Regulacja prądu obciążenia dokonywana jest poprzez regulację wartości prądu płynącego przez cewkę. Na rysunku 2b przedstawiono schemat konwertera typu Buck z regulacją prądu wyjściowego. reguluje współczynnik wypełnienia lub częstotliwość sygnału tranzystorem MOSFET tak, aby prąd wyjściowy był stały. Prąd wyjściowy określony jest wzorem: I F = V FB /R FB Precyzyjne ustalenie wartości prądu wyjściowego I F 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 E. Pomiar wartości prądu poprzez pomiar napięcia na rezystorze R FB zapewnia wystarczającą dokładność, ale prąd płynący przez rezystor R FB generuje straty mocy w układzie. Straty mocy można ograniczyć poprzez zmniejszenie napięcia sprzężenia zwrotnego V FB a co za tym idzie zmniejszenie wartości rezystora 2 1 E Rys.2. Schemat zasilacza typu Buck (obniżającego napięcie) a) z regulacją napięcia wyjściowego b) z regulacją prądu wyjściowego IF R FB i zmniejszenie strat mocy na tym rezystorze. y scalone stosowane w zasilaczach typu Buck mają napięcia sprzężenia zwrotnego w zakresie 50mV - 200mV. y zasilania typu Buck dla diod E mogą pracować bez wyjściowego kondensatora filtrującego C o. Kondensator wyjściowy w przypadku układu z regulacją prądu wyjściowego ma za zadanie filtrację składowej zmiennej prądu wyjściowego. Prąd wyjściowy przy zasilaniu diod E 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 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. zasilacza typu Boost jako źródło prądowe zasilacza impulsowego typu Boost stosowany jest wtedy, gdy zachodzi potrzeba sterowania pracą bardzo wielu diod E 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 =n * VF > b) Zasilacz typu Boost =n * VF < E1 En Rys.3. Konwertery C-C typu Buck i Boost E1 En 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 EEKTRONIKI
Sterowanie pracą diod E energia zgromadzona w cewce przekazywana jest do obciążenia przez diodę. Zasilacze typu Boost z regulacją prądu wyjściowego wymagają zastosowania kondensatora wyjściowego C o, aby utrzymać poziom prądu wyjściowego i tętnienia prądu na dopuszczalnym poziomie. W większości zasilaczy tego typu układ wykorzystuje pomiar wartości szczytowej prądu. 5.3. zasilacza typu Buck-Boost zasilacza impulsowego typu Buck-Boost stosowany jest wtedy, gdy zachodzi potrzeba sterowania pracą bardzo wielu diod E 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. En E1 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. ioda 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. Buck-Boost, podobnie jak układ Boost wymaga zastosowania kondensatora wyjściowego, aby utrzymać ciągły prąd diod E. 5.4. Regulacja jasności świecenia diod E (imming) Jasność świecenia diod E można regulować poprzez: regulację prądu diody, taki sposób 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 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 E 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 E określają prąd diody, dla którego gwarantują określoną długość fali świetlnej, zmiana tego prądu powoduje zmianę długości fali. T T T VIM min max t t t tsu tsu tsu ts ts ts IF T=1/fIM min=(t t SU)/T max=(t-t S)/T Rys.5. Zależności czasowe w układzie ściemniania PWM SERWIS EEKTRONIKI
Sterowanie pracą diod E 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 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 E ma skończony czas reakcji na sygnał ściemniania PWM. Na rysunku 5 przedstawiono zależności czasowe w układzie ściemniania PWM. Na rysunku tym użyto następujących oznaczeń: V IM napięcie sterujące ściemnianiem diod E, I F prąd diod E, Czas t jest czasem opóźnienia propagacji jest to czas od momentu pojawienia się stanu wysokiego w sygnale V IM do momentu, gdy prąd diody I F zaczyna narastać. Czas t SU jest czasem narastania prądu diod E. Czas t S jest czasem opadania prądu diody E. Im niższa jest częstotliwość sygnału ściemniania f IM, tym wyższy jest współczynnik kontrastu * (ntrast Ratio), ponieważ opóźnienia t, t SU, t S 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 ntrast 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/t on-min, gdzie t on-min = t t SU. y scalone stosowane w impulsowych zasilaczach diod E 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 E 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. zięki 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. Niektóre zastosowania diod E 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 E 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. y 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. VIM 1 2 VRV Rys.6. ściemniania z tranzystorem kluczującym przyłączonym równolegle do obciążenia E1 En Rys.7. ściemniania w zasilaczu typu Boost z tranzystorem szeregowym } E1 En Q1 VIM SERWIS EEKTRONIKI