Диммирование нескольких светодиодных цепочек позволяет настраивать цвет освещения

Журнал РАДИОЛОЦМАН, ноябрь 2018

David Zhang

LEDs Magazine

Во многих приложениях архитектурного, зонального и местного твердотельного освещения большое значение имеет точность цветопередачи. Кроме того, все большее число продуктов поддерживает динамическую настройку цвета – для установки точки белого или цветовой коррелированной температуры (CCT) и/или создания динамических полноцветных устройств. Светодиоды являются идеальными источниками точного цвета. Изменять цвет светодиодного светильника можно смешением света светодиодов различных цветов, таких как красный, синий, зеленый, желтый и белый. Для получения требуемого цвета свечения при смешении цветов светодиодов необходимо регулировать яркость одной или нескольких светодиодных цепочек. Существует несколько методов регулирования яркости свечения светодиодов (диммирования) для смешения цветов, поэтому давайте рассмотрим их все.

Одиночный кристалл светодиода может излучать только монохромный свет. Для получения разных цветов необходимо использовать одновременно светодиоды трех первичных цветов, – красного, зеленого и синего (RGB). Простой коммутацией красного, зеленого и синего каналов можно получить семь основных цветов (красный, зеленый, синий, желтый, фиолетовый, морской волны и белый). Для получения более чем семи цветов нужно иметь возможность регулирования яркости светодиодов каждого канала. Диммирование каналов производится регулировкой тока, проходящего через каждую светодиодную цепочку. Смешивая свет трех диммиируемых цепочек RGB светодиодов, можно получить множество цветов. Способ, используемый для изменения цветовой температуры свечения белых светодиодов, обычно состоит в том, чтобы, добавив цепочку красных светодиодов, изменять ее яркость относительно белых светодиодов для получения желаемого значения CCT.

Рисунок 1.	Формирователь трехфазного напряжения с мультиступенчатым переключением частоты выходных импульсов и независимым управлением ширины заполняющих выходной импульс высокочастотных сигналов.

В принципе, есть два способа диммирования светодиодов: аналоговое (линейное) управление током и широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Оба метода диммирования регулируют яркость за счет изменения среднего тока, проходящего через светодиодную цепочку. Оба можно реализовать с помощью либо импульсного, либо линейного драйвера светодиодов. На Рисунке 1 показана схема драйвера двух цепочек светодиодов, состоящего из одного понижающего импульсного и одного линейного регулятора, основанных на микросхеме TPS92660. Обе цепочки могут диммироваться либо аналоговым, либо ШИМ методом. У каждого есть свои достоинства и недостатки. В большинстве приложений метод управления яркостью выбирается исходя из требований, предъявляемых к характеристикам смешения цветов.

Варианты аналогового управления яркостью

Аналоговое регулирование яркости реализуется регулировкой уровня постоянного тока, текущего через светодиодную цепочку. Практически это делается либо изменением опорного напряжения тока светодиода внутри микросхемы, либо изменением напряжения резистора, измеряющего ток светодиодов вне микросхемы. Давайте сначала обсудим диммирование путем изменения опорного напряжения тока светодиода.

Для большинства драйверов светодиодов, включая импульсные и линейные регуляторы, ток светодиода определяется следующим выражением:

где

V_REF – напряжение внутреннего опорного источника микросхемы;
R_SNS – сопротивление токоизмерительного резистора.

В некоторых случаях ток светодиода можно регулировать изменением V_REF. Но учтите, что не все микросхемы драйверов светодиодов позволяют пользователю изменять опорные напряжения тока светодиодов. Для тех микросхем, у которых возможность такого изменения предусмотрена, это можно сделать двумя способами. Первый заключается в подаче аналогового напряжения на имеющийся у микросхемы вход регулировки опорного напряжения. Примером такой микросхемы является LM3409 компании Texas Instruments, напряжение на выводе IADJ которой позволяет регулировать ток светодиода. Второй способ основан на регулировке опорного напряжения командами, посылаемыми через цифровой коммуникационный интерфейс, подобный I²C. Одним из примеров прибора, который имеет интерфейс I²C, позволяющий регулировать опорное напряжение тока светодиодов, может служить выпускаемая Texas Instruments микросхема TPS92660.

Рисунок 2.	Схема аналогового диммирования управляет напряжением на входе подключения токоизмерительного резистора.

Другой распространенный метод аналогового диммирования основан на изменении напряжения, приходящего с токоизмерительного резистора. В большинстве приложений сопротивление этого резистора R_SNS бывает меньше 1 Ом, поэтому изменять его величину с помощью переменного резистора совершенно непрактично. Вместо этого изменяют напряжение на входе CS микросхемы, вводя туда внешнее постоянное напряжение. На Рисунке 2 показана типичная схема аналогового регулятора яркости, работа которого основана на изменении напряжения на токоизмерительном резисторе. Напряжение на выводе CS (current sense) определяется следующей формулой:

В установившемся состоянии напряжение на выводе CS равно опорному напряжению. Изменить ток светодиода можно либо подстройкой внешнего постоянного напряжения V_ADJ, либо регулировкой сопротивления переменного резистора R2.

Использование аналогового диммирования в приложениях смешения цветов имеет недостатки. С изменением тока светодиода может меняться его цветовая температура. Во время аналоговой регулировки яркости могут меняться яркости и цвета светодиодов, особенно при значительных изменениях тока. В таких условиях система не сможет сформировать желаемый цвет.

ШИМ регулирование яркости

Фактически, диммирование с помощью широтно-импульсной модуляции включает и выключает светодиоды с фиксированной частотой и фиксированным коэффициентом заполнения. Учитывая, что переключение или мультиплексирование происходят достаточно быстро – обычно с частотой 200 Гц или выше, – человеческий глаз воспринимает свечение светодиодов как постоянное. Ток светодиода, диммируемого импульсами ШИМ, выражается следующей формулой:

где

I_DIM – средний ток диммируемого светодиода;
D – коэффициент заполнения импульсов ШИМ;
I_LED – постоянный ток, приложенный к коммутируемой цепочке светодиодов.

Многие микросхемы драйверов светодиодов имеют цифровой вход диммирующего ШИМ-сигнала, генерируемого микроконтроллером. Как правило, такая микросхема выключает драйвер MOSFET только при низких уровнях импульсов ШИМ и включает обратно при высоком уровне. При выключенном драйвере внутренняя схема полностью продолжает работать. Это предотвращает перезапуск микросхемы, вызывающий задержку нарастающего фронта импульса ШИМ.

Рисунок 3.	ШИМ-сигнал управляет током светодиодов, показанным на нижней осциллограмме.

В импульсных драйверах светодиодов параллельно светодиодной цепочке обычно включается конденсатор, фильтрующий высокочастотные коммутационные шумы. Этот конденсатор может замедлять нарастание и спад импульсов тока. Поэтому в приложениях с высокой частотой переключения и низким коэффициентом заполнения ШИМ этот конденсатор должен быть удален. Осциллограммы сигналов в понижающем драйвере светодиодов с ШИМ-регулированием яркости показаны на Рисунке 3.

Смешанное управление яркостью

Некоторые микросхемы драйверов светодиодов поддерживают функцию, называемую «импульсно-аналоговое диммирование». Входы диммирования таких микросхем принимают аналоговый сигнал и преобразуют его в ШИМ сигнал управления яркостью. Частота ШИМ постоянна, а коэффициент заполнения пропорционален уровню входного аналогового напряжения.

Такое смешанное управление очень полезно в тех приложениях освещения, где отсутствует управляющий микроконтроллер. Оно может также использоваться для реализации прогрессирующего ограничения тока, когда ток светодиода уменьшается ШИМ-диммированием, если температура платы светодиодов превысит установленный предел.

Диммирование шунтирующим МОП-транзистором

Шунтирующим МОП-транзистор нередко используется при очень высокой частоте импульсов ШИМ. На Рисунке 4 изображена схема диммирования шунтирующим МОП-транзистором, основанная на понижающем регуляторе. Внешний шунтирующий МОП-транзистор включен параллельно светодиодной цепочке, чтобы быстро обходить (закорачивать) выходной ток преобразователя. При открытом МОП-транзисторе цепочка светодиодов выключается, а при закрытом – включается. Таким образом, этот шунтирующий МОП-транзистор эффективно выполняет функцию ШИМ-регулятора яркости. В некоторые микросхемы драйверов светодиодов интегрированы драйверы затворов MOSFET, позволяющие сократить количество необходимых внешних микросхем.

Рисунок 4.	В этой схеме диммирование реализуется с помощью МОП-транзистора, включенного параллельно цепочке светодиодов.

Во время шунтирования МОП-транзистором ток дросселя импульсного регулятора не прерывается. Кроме того, отсутствуют задержки, связанные с нарастанием и спадом тока дросселя. При подключении к хорошему драйверу MOSFET шунтирующий МОП-транзистор может включаться и выключаться с очень высокими скоростями. Следовательно, ток светодиода имеет очень крутые фронты нарастания и спада. Шунтирование МОП-транзистором идеально подходит для приложений, диммируемых высокочастотными импульсами ШИМ.

Диммирование очень важно для получения требуемого цвета и яркости в приложениях смешения цветов. Существует множество способов управления яркостью светодиодов, из которых два основных – это аналоговое и ШИМ диммирование. Схема аналогового регулирования яркости отличается относительной простотой. Аналоговое диммирование обычно дешевле и подходит для систем без управляющих микроконтроллеров. Однако оно может быть неприемлемо для приложений, требующих постоянства цветовой температуры. В противоположность аналоговому способу, с помощью ШИМ диммирования можно достичь очень высокой точности цветовой температуры, сведя к минимуму изменения цвета, связанные с током светодиодов. Для ШИМ диммирования, как правило, требуется входной цифровой сигнал, формируемый микроконтроллером, что увеличивает стоимость системы.

Материалы по теме