304 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009
Andrzej KARPIUK, Wojciech WOJTKOWSKI
Politechnika Białostocka, Wydział Elektryczny, Katedra Automatyki i Elektroniki
Cyfrowy regulator prądu diody LED
do zastosowań oświetleniowych
Streszczenie. W artykule przedstawiono koncepcję cyfrowego regulatora prądu diody LED dużej mocy, przeznaczonego do zastosowań
oświetleniowych. Główną zaletą proponowanego rozwiązania jest wysoka energooszczędność uzyskana dzięki wykorzystaniu wyjściowego stopnia
mocy pracującego impulsowo, co eliminuje konieczność stosowania szeregowych rezystorów dużej mocy. Cyfrowa regulacja zapewnia łatwą
nastawę wartości prądu oraz jego stabilizację.
Abstract. This paper describes an idea of the digital power LED current regulator using the AVR microcontroller for lighting purpose. The main
advantage of the proposed circuit is high efficiency acquired thanks to the output power stage working in the switching mode. Digital control allows
easy setting of output current and its stabilization. (Digital power LED current regulator for lighting purpose).
Słowa kluczowe: cyfrowy regulator prądu, LED, mikrokontroler AVR, oświetlenie.
Keywords: digital current regulator, LED, AVR microcontroller, lighting.
Wstęp
Na przestrzeni ostatnich kilku lat obserwuje się rosnące
zainteresowanie wykorzystaniem diod LED do szeroko
rozumianych celów oświetleniowych (iluminacja gmachów,
oświetlenie wnętrz, podświetlanie eksponatów muzealnych i
t.d.). Decydują o tym nie tylko względy wizualne
(artystyczne), ale również, a może przede wszystkim,
ekonomiczne.
Niezwykle istotną częścią całego systemu
oświetleniowego są układy zasilania i sterowania. Na rynku
dostępna jest duża ilość specjalizowanych układów
scalonych – sterowników diod LED, w większości są to
jednak układy stosunkowo małej mocy [1].
W artykule przedstawiono koncepcję cyfrowego
regulatora prądu diody LED dużej mocy, przeznaczonego
do zastosowań
oświetleniowych. Główną zaletą
proponowanego rozwiązania jest wysoka
energooszczędność uzyskana dzięki wykorzystaniu
wyjściowego stopnia mocy pracującego impulsowo, co
eliminuje konieczność stosowania szeregowych rezystorów
dużej mocy. Cyfrowa regulacja zapewnia łatwą nastawę
wartości prądu oraz jego stabilizację. Układ można w prosty
sposób przystosować do pracy w zastosowaniach
wymagających stałej wartości natężenia oświetlenia, jak
również do zapewnienia automatycznego doboru natężenia
oświetlenia do zmieniających się warunków otoczenia.
Układ zasilania diody LED z cyfrowym regulatorem
prądu
Proponowany układ (rys. 1) bazuje na znanej
konfiguracji zasilacza impulsowego podwyższającego
napięcie. Tranzystor MOSFET z kanałem typu n pełni rolę
klucza elektronicznego. W pracy układu można wyróżnić
dwie fazy. W pierwszej fazie cyklu klucz jest zamknięty
(tranzystor przewodzi) i przez cewkę L płynie prąd, który
narasta praktycznie liniowo, zaś w cewce gromadzi się
energia. W drugiej fazie cyklu otwarcie klucza (tranzystor
nie przewodzi) powoduje pojawienie się w cewce siły
elektromotorycznej samoindukcji. Napięcie to sumuje się z
napięciem zasilania U
zas
, w związku z czym napięcie na
obciążeniu może być wyższe niż napięcie zasilające. W tej
fazie cyklu energia jest przekazywana do obciążenia i
kondensatora C. Rezystor pomiarowy R
p
pełni rolę czujnika
prądu pracującego w pętli sprzężenia zwrotnego. Spadek
napięcia na tym rezystorze podawany jest na regulator
cyfrowy. Regulator w taki sposób zmienia wartość
współczynnika wypełnienia impulsów generatora PWM,
sterującego kluczem tranzystorowym, aby prąd obciążenia
był praktycznie stały. Warto podkreślić, iż dzięki małej
wartości rezystancji, nawet przy dużych wartościach prądu
obciążenia, straty mocy w rezystorze pomiarowym mogą
być niewielkie.
Rys. 1. Uproszczony schemat zasilania diody LED z regulatorem
cyfrowym
Najważniejszym modułem zasilacza jest regulator
cyfrowy, przedstawiony na rysunku 2. Praktycznie cały
regulator został zaimplementowany w strukturze
mikrokontrolera ATmega8 [2].
Rys. 2. Uproszczony schemat blokowy regulatora cyfrowego
Napięcie z rezystora pomiarowego R
p
, po odfiltrowaniu
przez filtr dolnoprzepustowy FDP, podawane jest na
przetwornik analogowo-cyfrowy ADC. Komparator cyfrowy
porównuje wartość binarną z przetwornika ze słowem
dziesięciobitowym, reprezentującym zadaną wartość
napięcia referencyjnego REF. Przykładowo, jeżeli prąd
obciążenia maleje to komparator KOMP wytwarza sygnał,
powodujący zmianę szerokości impulsów sterujących
tranzystorem przekształtnika przy zachowaniu stałej
częstotliwości przełączania. Stała częstotliwość generatora
PWM jest uzyskana za pomocą odpowiednio
zaprogramowanego układu licznikowego mikrokontrolera.
Wyniki badań laboratoryjnych
Prototyp zasilacza diody LED z regulatorem cyfrowym
został poddany próbom laboratoryjnym. W czasie testów
częstotliwość generatora PWM była zaprogramowana na
