Wykorzystywanie mikrokontrolerów AVR

Wykorzystywanie mikrokontrolerów AVR do sterowania diodami dużej mocy

W referacie omówiono najważniejsze obszary zastosowań diod LED w pojazdach samochodowych. Przedstawiono wybrane problemy związane z zasilaniem diod LED małej i dużej mocy. Przedstawiono dwie przykładowe aplikacje zasilania diod LED o prądzie dopuszczalnym do 1,5A i 0,5A. W obu aplikacjach do sterowania jasnością świecenia zastosowano mikrokontroler jednoukładowy z rodziny AVR generujący  sygnał PWM.

Wprowadzenie.

Obecnie diody LED są coraz częściej stosowane w instalacjach samochodowych, do różnych celów. Diody LED małej mocy najczęściej są stosowane do podświetlania elementów deski rozdzielczej, manipulatorów i przycisków rozmieszczonych w różnych miejscach przedziału pasażerskiego pojazdu. Zaletą takiego rozwiązania jest bardzo dobra widoczność podświetlenia, stosunkowo mały pobór energii oraz długi okres pracy bezawaryjnej. Ograniczanie poboru energii w każdym możliwym przypadku ma uzasadnienie zarówno lokalne (jak np. oszczędność paliwa), jak i globalne (zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych oraz ograniczenie zanieczyszczania środowiska naturalnego). Diody LED dużej mocy w pojazdach samochodowych są obecnie najczęściej stosowane w charakterze świateł hamowania, świateł dziennych oraz oświetlenia przedziału pasażerskiego.

Zastosowanie diod w światłach hamowania nie tylko służy ograniczeniu zużycia energii, ale również zwiększa bezpieczeństwo na drogach dzięki szybszemu działaniu diod LED niż żarówek, tradycyjnie stosowanych w światłach hamowania. Czas włączenia diody LED jest nieporównywalnie krótszy od czasu włączenia żarówki, co w przypadku nagłego hamowania i dużej prędkości jazdy daje zapas kilku-kilkunastu metrów na bezpieczne przeprowadzenie manewru, dzięki szybszej reakcji kierowcy nadjeżdżającego z tyłu hamowanego pojazdu. Oświetlenie dzienne pojazdu realizowane na diodach LED zużywa mniej energii elektrycznej niż oświetlenie dzienne wykorzystujące żarówki, co jest istotne zwłaszcza, że spora część pojazdów porusza się głównie w dzień. Nie bez znaczenia jest także znacząco dłuższa żywotność diod LED niż żarówek. Oszczędności w skali globalnej mogą być naprawdę duże.

Najnowsze doniesienia prasowe informują o rozwiązaniach kompletnych reflektorów przednich opartych wyłącznie o technikę diod LED dużej mocy. Jest możliwa realizacja zarówno świateł mijania, jak i drogowych w tej technice. Diody LED charakteryzują się większą sprawnością niż np. oświetlenie halogenowe i dużą trwałością ocenianą na ok. 10 lat normalnej eksploatacji. Emitują znacznie mniej ciepła niż oświetlenie żarowe, dostępne są w kilku kolorach świecenia. Stosowane są także jako światła do czytania w samochodach, autobusach oraz w samochodach ciężarowych, światła rowerowe, tablice świetlne, sygnalizatory świetlne oraz w innych aplikacjach.

Zasilanie diod LED.

Nowoczesne diody LED dużej mocy wymagają sterowania impulsowego z modulacją PWM w przypadku regulacji jasności, oraz powinny być zasilane z ograniczeniem lub lepiej ze stabilizacją prądu. Diody LED dużej mocy mogą pobierać prąd ciągły o wartościach od 1 do 3 amperów. Najtańsze są w tej grupie diody o mocy około 3 watów i dopuszczalnym prądzie ciągłym równym 1 A. Napięcie przewodzenia diody LED dużej mocy może się zawierać w zależności od typu diody od 2 do 5 V.

Ponieważ diody LED mają bardzo stromą charakterystykę zależności prądu od napięcia w kierunku przewodzenia, muszą być zasilane z ograniczeniem prądowym. Zapobiega to uszkodzeniu diody. W przypadku stabilizacji prądu diody za pomocą źródła prądowego, uzyskuje się stabilizację jasności świecenia. W najprostszym przypadku rolę ogranicznika prądu może pełnić rezystor. Przy stałym napięciu wejściowym np. z instalacji samochodowej ok. 14,4V (przy pracującym silniku), można dobrać odpowiedni rezystor do zasilania diody tak, aby prąd nie przekroczył dopuszczalnej wartości, np.: 1 A. Dla diody o napięciu przewodzenia ok. 3V wystąpią straty mocy ok. 10W zużywanej na nagrzewanie rezystora, co wymusza zastosowanie rezystora o dostatecznej mocy. Dioda LED zasilana bez ograniczenia prądowego szybko ulega uszkodzeniu. Najlepszą metodą zasilania diod dużej mocy jest stabilizacja prądu. Niewielkie wahania wartości spadku napięcia na złączu mają duży wpływ na jasność świecenia diody i zwiększają ryzyko przekroczenia bezpiecznego dla struktury LED natężenia prądu. Kolejnym argumentem przemawiającym za prądowym zasilaniem diod LED dużej mocy są zmiany napięcia przewodzenia diody w funkcji temperatury. Temperatura złącza może się zmieniać w czasie pracy diody LED mocy w szerokim zakresie (nawet kilkadziesiąt stopni C [1]).

Często występuje konieczność łączenia diod w zespoły pozwalające uzyskanie źródła światła o większej mocy (co może nadmiernie zwiększać napięcie łączne przewodzenia). Zasilanie LED-ów mocy, zwłaszcza jeśli pracują one w połączeniu szeregowo-równoległym, komplikuje niejednakowe napięcie przewodzenia diod różnego typu oraz niejednakowa jasność diod jednego typu przy określonym spadku napięcia na przewodzącej strukturze. Przy stosowaniu diod LED dużej mocy, konieczne jest zapewnienie odpowiedniego chłodzenia. Na rynku są dostępne moduły z diodami LED zamontowanymi na płytkach drukowanych wykonanych w technologii MCPCB (Metal Core PCB). Zastąpienie klasycznego laminatu płytką metalową poprawia odprowadzenie ciepła z obudowy diody.

Realizacja generatora PWM na mikrokontrolerze AVR.

Ośmiobitowy modulator sygnału PWM (Pulse Width Modulation) może być zrealizowany w prosty sposób z wykorzystaniem układów czasowo-licznikowych dostępnych w procesorach jednoukładowych z rodziny AVR. Jako przykład zostanie wykorzystany  mikrokontroler AT90S2313. Mikrokontroler ten jest wyposażony w dwa liczniki uniwersalne (jeden 8 bitowy, drugi 16 bitowy), z których jeden może pełnić rolę sprzętowego generatora sygnału PWM. Modulator PWM jest wówczas układem samodzielnym, generującym automatycznie sygnał po załadowaniu parametrów generowanego sygnału. Oczywiście w każdej chwili można programowo ustawić nową wartość współczynnika wypełnienia impulsów tak, aby uzyskać zmianę jasności świecenia sterowanej diody LED. Parametr określający współczynnik wypełnienia impulsów generowanego sygnału może być zmieniany w dowolnym momencie. Układ generatora PWM ma zabezpieczenie zapobiegające niepożądanym impulsom i zmianom fazy pochodzącym od wprowadzenia w przypadkowym momencie zmiany współczynnika wypełnienia.

W przypadku sterowania diodami LED nie jest to jednak szczególnie istotne, może być natomiast istotne np. w przypadku sterowania tranzystorami przekształtnika energii (co nie jest tematem artykułu). W strukturze procesora AT90S2313 występuje dodatkowo 10 bitowy licznik pełniący rolę wstępnego dzielnika impulsów taktujących liczniki uniwersalne. Rozwiązanie takie pozwala na odmierzanie dłuższych odcinków czasu, ale z drugiej strony ogranicza maksymalną możliwą do uzyskania częstotliwość generowanego sygnału z modulacją szerokości impulsów (PWM). W zastosowaniach oświetleniowych, przy zastosowaniu diod LED nie ma to jednak znaczenia, gdyż dostępne częstotliwości są zupełnie wystarczające do uzyskania efektu ciągłego oświetlenia. Stopień podziału dzielnika wstępnego impulsów taktujących może być ustawiony na jedną z czterech wartości, niezależnie dla każdego licznika uniwersalnego. Dostępne wartości podziału to clk/8, clk/64, clk/256 oraz clk/1024. Możliwe jest także pominięcie dzielnika wejściowego co daje wartość clk/1.

W trybie PWM licznik 1 mikrokontrolera AT90S2313 pracuje jako licznik rewersyjny zliczający od 0 do wartości maksymalnej "TOP", po czym licznik zlicza wstecz do zera. Wartość maksymalna "TOP", może być programowo zmieniana w zakresie od 1 do 255, 511 lub 1023 w zależności od ustawionej rozdzielczości generatora PWM (odpowiednio 8, 9 i 10 bitów).

Do sterowania jasnością diody LED najczęściej wystarcza rozdzielczość 8-bitowa. Po osiągnięciu przez licznik 1 zera następuje ponowna zmiana kierunku i zliczanie do wartości "TOP" i cały cykl się powtarza. Gdy licznik osiągnie stan w którym 8, 9 lub 10 najmniej znaczących bitów będzie miało taką samą wartość jak odpowiadające im bity w rejestrze OCR1A mikrokontrolera, wyprowadzenie OC1 jest ustawiane lub zerowane, zgodnie z ustawionymi wcześniej bitami COM1A1 i COM1A0 znajdującymi się w rejestrze TCCR1A. Znaczenie bitów COM1A1 i COM1A0 jest przedstawione w Tablicy 1.

Tablica 1: Znaczenie bitów COM1A1 i COM1A0 rejestru TCCR1A w trybie PWM

Źródło: www.Atmel.com - dokumentacja AT90S2313

Sterowanie jasnością świecenia diody LED z wykorzystaniem mikrokontrolera AT90S2313.

Przedstawiony generator sygnału PWM zrealizowany na mikrokontrolerze AT90S2313 można wykorzystać do sterowania jasnością świecenia diody LED. W przypadku zastosowania diody LED małej mocy ograniczenie prądu najlepiej jest zrealizować za pomocą rezystora. Do zasilania diody dużej mocy o prądzie maksymalnym nie przekraczającym 1,5A można zastosować stabilizator napięcia LM117/LM317, pracujący w konfiguracji źródła prądowego. Aplikacja układu LM117 jest bardzo prosta i tania w realizacji.

W przypadku gdy jasność świecenia jest niewystarczająca, można zamiast diody LED1 zastosować połączenie szeregowe kilku diod, pamiętając jednak aby łączny spadek napięcia na diodach nie przekroczył napięcia 12V, pomniejszonego o sumę napięcia 1,2V i spadku napięcia na regulatorze. Spadek napięcia na regulatorze LM117 nie powinien być mniejszy niż 3V, zatem suma spadków napięć na diodach w tym przypadku nie powinna przekroczyć 7,8V. Można jeszcze zwiększyć liczbę diod dołączonych do regulatora stosując połączenie szeregowo równoległe, pamiętając że maksymalny prąd wyjściowy LM117/317 jest równy 1,5A.

Zamiast regulatora LM117/317 można zastosować specjalizowany sterownik diod LED, np. TLE4242 firmy Infineon, wyposażony w wejście sterujące PWM pozwalające na regulację jasności diod LED.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono wybrane aspekty związane ze stosowaniem diod LED dużej mocy. Obecnie diody LED są stosowane w coraz większej liczbie aplikacji, dotyczy to także przemysłu samochodowego. Już dziś można spotkać diody LED w lampach przednich, lampach tylnych, w przedziale pasażerskim do podświetlania przyrządów, wskaźników i do oświetlenia kabiny. Oświetlenie dzienne pojazdu realizowane na diodach LED zużywa mniej energii elektrycznej niż oświetlenie wykorzystujące żarówki, co jest istotne szczególnie, że spora część pojazdów porusza się głównie w dzień. Za stosowaniem diod LED przemawia także znacząco dłuższa żywotność niż żarówek. Diody LED stosowane w światłach hamowania włączają się szybciej niż żarówki, poprawiając bezpieczeństwo na drodze. Istnieją już kompletne samochodowe reflektory przednie wykorzystujące wyłącznie diody LED. Jest możliwa realizacja zarówno świateł mijania, jak i drogowych w tej technice. Diody LED wymagają zasilania z ograniczeniem prądu. Najlepsze parametry osiąga się przy zasilaniu ze stabilizacją prądu diody. Do sterowania jasnością świecenia wykorzystuje się sterowanie szerokością impulsów zasilających diodę przy stałej częstotliwości (sygnał PWM). Do generacji sygnału PWM można wykorzystać uniwersalne układy czasowo-licznikowe występujące obecnie niemal we wszystkich współczesnych mikrokontrolerach. W artykule przedstawiono dwie przykładowe aplikacje sterowania jasnością diod LED z mikrokontrolerem AT90S2313 z rodziny AVR firmy Atmel.

LITERATURA:

[1] Gawryluk A.: Zasilanie diod LED dużej mocy, Elektronika Praktyczna Plus, 3/2007

[2] Mazur J.W., Żagan W.: Samochodowa technika świetlna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 1997.

[3] www.atmel.com - Dokumentacja AT90S2313

[4] www.infineon.com - Dokumentacja TLE4269, TLE4242

[5] www.national.com - Dokumentacja LM317