12. dubna 2018 13:38

PWM (= pulzně šířková modulace) řízení pro efektivní inteligentní osvětlení

Efektivní řízení světelných diod (LED) v osvětlovacích systémech je jen částí řešení, tyto systémy musí být také schopny automaticky reagovat na změny v podmínkách, jako je okolní světlo, a na změny požadavků, které mohou být signalizovány přes síťové spojení.

Snímače v blízkosti světelné soustavy mohou určit nejvhodnější úroveň umělého osvětlení. Při použití jako například inteligentní skleníky, cylindrová svítidla a pouliční osvětlení mohou být diody LED úplně vypnuty, když jsou okolní podmínky příznivé, a postupně se spouštět, jak se stmívá.

V zásadě je svítivost poskytovaná světelnými diodami jednoduše ovladatelná. Světelný výstup LED je přibližně lineární funkcí propustného proudu. Pro zajištění konzistentního osvětlení vyžaduje LED konstantní proud měniče. Množství požadovaného proudu závisí nejen na LED, ale také na faktorech životního prostředí. Typicky se zvyšuje křivka jas versus proud. Navýšení proudu však způsobuje zvýšení teploty spoje LED. Nadměrná teplota spojů vede ke snížení výkonu světla a celkové účinnosti.

Proud přiváděný do LED není vždy udržován na konstantní úrovni. Místo toho se spínání vysokého kmitočtu používá k dodávání pulsů proudu, které dosahují průměrných hodnot téměř na konstantní úrovni. Většina návrhů osvětlení LED využívá pulzně šířkovou modulaci (PWM), která zajišťuje řízení proudu. Obvyklá konfigurace řízení výkonu LED na bázi PWM na úrovni cílového jasu spočívá ve výpočtu pevné mimoprovozní doby. Výhodou tohoto přístupu je to, že zvlněný proud a průměrná úroveň proudu závisejí pouze na mimoprovozní době a na propustném napětí LED. Softwarové algoritmy mohou kompenzovat tyto efekty implementací adaptivní kompenzace napětí. Algoritmus sleduje pokles napětí na LED diodách a nastavuje délku mimoprovozní doby. Průměrný LED proud se pak řídí regulací dodaného špičkového proudu, který se měří při zapnutém napájení MOSFET do řetězce LED diod. STMicroelectronics’ STLUX řada regulátorů osvětlení poskytuje prostředky pro řízení až šesti LED řetězců nezávisle na sobě za použití pevně stanoveného mimoprovozního řízení pomocí modifikovaného snižovacího převodníku výkonu. Tato řada regulátorů osvětlení využívá technologii SMED, která umožňuje řídicí jednotce provozovat několik řetězců LED, každý s vlastním generátorem PWM a schopností reagovat na externí a interní události nezávisle bez zásahu softwaru.

Vestavěný mikrořadič konfiguruje a programuje jednotky SMED, jak je znázorněno na obrázku 1.

Obr. 1: Vztah mezi jednotkami SMED a supervizním jádrem a I/O (zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Každá ze šesti jednotek SMED v STLUXu přepíná mezi čtyřmi stavy s přidáním stavu Pauza pro případy, kdy je třeba hodiny PWM zmrazit, dokud není splněna podmínka výstupu. Jedním z možných použití je stmívání. Modul SMED vstoupí do stavu Pauza, když kontrolní řízení zahájí vypínání stmívacího pracovního cyklu. Když časovač vypnutí dosáhne svého limitu, přepne se SMED zpět do normálního provozu pro pravidelné, přesné řízení napětí PWM. Pohyb může probíhat mezi jakýmkoliv ze čtyř stavů, jak je znázorněno na obrázku 2. Podmínky naprogramované v ovládacím prvku SMED ohledně toho, kdy a jak se stavový automat přesune na svůj nový cílový stav, a jednotky SMED mohou být propojeny pro vytváření složitějších stavových automatů, kde není nutné plně nezávislé ovládání každého řetězce.

Pro podporu pevně stanovené mimoprovozní konfigurace poskytuje základní SMED dostatečné stavy pro zpracování hlavního cyklu PWM, stejně jako chybové hlášení a obnovu. Po inicializaci se SMED přepne na S0, který je primárně používán k mimoprovoznímu řízení. V tomto stavu je výstupní linka PWM nastavena na hodnotu 0 V. Pro určení doby výstupu z S0 se používá časovač. K podpoře stmívání může být S0 přeměněn do stavu Pauza, aby byl výstup udržován na hodnotě 0 V. Pokud není vyžadováno řízení stmívání, stav se přesune na S1. S1 funguje jako proudová rampa a stav detekce poruchy. Výstupní linka PWM je při posunu na S1 nastavena na vysokou hodnotu a zapíná výstupní výkon MOSFET. Za normálních podmínek by proud neměl dosáhnout maximálního bezpečného limitu během doby, kdy je SMED v S1. V algoritmu pevně stanoveného mimoprovozu je S1 zpravidla naprogramován k ukončení po uplynutí třetiny času zapnutí PWM cyklu: zbývající část aktivního času je zpracována během S2. Pokud je však mezního proudu dosaženo neobvykle brzy, signalizuje to chybu, která přinutila SMED přejít do S3. S2 je stav mezního proudu a slouží k nalezení nejvyšší úrovně proudu za normálních podmínek. Nejvyšší proud je určen napětím nakonfigurovaným na DAC STLUX. Když je dosaženo nejvyššího proudu, cyklus SMED se vrátí zpět do stavu S0 a výstup PWM se přepne zpět na 0 V pro začátek dalšího pevně stanoveného mimoprovozního cyklu. S3 funguje jako nadproudový stav. Během přechodu je výstup PWM vypnutý, aby bylo chráněno obvodové napájení a časovač je nastaven na maximální hodnotu 5 μs. Po uplynutí časového limitu SMED postupuje k novému cyklu S0, ale také generuje přerušení interního MCU, aby mohl software sledovat budoucí cykly, zastavit přechody SMED v případě potřeby a spustit uživatelský alarm.

Obr. 2: Možné přechody stavu jednotek SMED (zdroj obrázku: STMicroelectronics).

Nejvyšší úroveň proudu je detekována komparátorem, který vstupuje do SMED. Na tento komparátor směřují signály vstupního proudu a komparátor je porovnává s interní hodnotou DAC. Když je napětí na vstupu komparátoru vyšší než hodnota DAC, výstupní napětí na výstupu komparátoru se zvyšuje. Jinak výstup zůstává nízký.

Stmívání lze ovládat pomocí druhé vrstvy řízení PWM. Cyklus však může být ovládán pomocí softwaru, protože zahrnuje podstatně pomalejší řídicí smyčku, než je požadováno pro současný algoritmus řízení PWM. Aby se minimalizovalo rozpoznatelné blikání, stačí přepínací frekvence 200 Hz, která dělí každou sekundu na 5ms úseky. S nezávislými řetězci LED diod mohou být cykly stmívání posunuty ve fázi. To pomáhá vyvážit spotřebu energie a dále pomáhá minimalizovat zřejmé blikání celého pole osvětlení. Přestože osvětlovací jednotka může být navržena tak, aby fungovala samostatně, výhody inteligentního osvětlení přicházejí s podporou dálkového nebo síťového řízení. Řídicí jednotky mohou být například snadno přeprogramovány na oddělené osvětlovací předřadníky do různých skupin, protože oddíly se v kancelářském nebo skladovém prostředí mění. Obecně uznávanou mezinárodní normou pro řízení osvětlovacích systémů je digitální adresovatelné osvětlovací rozhraní (DALI). Klíčové výhody DALI zahrnují jednoduchou topologii zapojení a schopnost pojímat osvětlovací jednotku jednotlivě nebo jako součást skupiny. Velkoplošné systémy bývají často navrženy tak, že jsou svítidla spojena dohromady ve skupinách propojených DALI, které jsou propojeny v makro měřítku prostřednictvím sítí IoT, jako je 6LowPAN, Ethernet nebo Thread.

Typicky bude skupina DALI obsahovat řídicí jednotku DALI, která je propojena s místním ovládacím panelem a řadou senzorů schopných detekovat přítomnost a okolní úroveň světla. Řídicí jednotka DALI pak komunikuje se systémem správy budovy pomocí protokolu IoT. Protokol DALI ovládá osvětlení v 254 krocích od vypnuto až po maximum. Od osvětlovacích jednotek se očekává, že budou sledovat logaritmickou křivku jasu. Pro podporu postupných změn úrovně osvětlení protokol umožňuje nastavit časovač zhasínání v sekundách. Řídicí jednotka pak může vydávat příkazy, aby jednotlivé předřadníky zvýšily nebo snížily úroveň osvětlení v krocích, dokud nebude dosaženo požadované hodnoty. Pokud jde o sběr světla, může řídicí jednotka ovládat osvětlení pomocí vlastních snímačů, aby určila optimální úrovně osvětlení pro každý předřadník, a to v tomto případě pomocí modulů STLUX, které vysílají příslušné příkazy k navýšení nebo k poklesu. Alternativně by MCU uvnitř STLUXu mohla mít větší autonomii.

Vzhledem k tomu, že pro měření napětí a proudu SMED může být použito osm ADC a čtyři komparační kanály, může být snímač připojen pomocí zabudovaného rozhraní I2C STLUX. Senzory okolního světla s I2C rozhraním zahrnují OPT3001 od Texas Instruments a VML6030 od Vishay Semiconductor. Na rozhraní I2C mohou být připojeny další snímače nebo mohou být využity řídící jednotkou k určení toho, kdy mají být poslány příkazy DALI pro podporu pokročilejších strategií řízení.

Závěr

Díky kombinaci podpory síťového řízení, schopnosti připojit senzory a využívat pokročilých strategií stavového automatu pro řízení výstupu LED nabízí řada zařízení STLUX velmi vhodný základ pro pokročilé osvětlovací systémy.

Rich Miron, Digi-Key Electronics12