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

PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 85 NR 11/2009 305

16 kHz, wartości indukcyjności i pojemności wynosiły
odpowiednio L = 1300 μH i C = 470 μF, wartość rezystancji
pomiarowej R

p

zmieniano w zakresie od 0,12 Ω do 1,5 Ω,

zaś napięcie referencyjne ustawiano programowo w
zakresie od 250 mV do 1 V.

Na rysunkach 3 i 4 przedstawione zostały przykładowe

oscylogramy ilustrujące pracę układu.

Rys. 3. Przykładowe przebiegi: napięcia sterującego (kanał 1) i
prądu w cewce (kanał 2)

Rys. 4. Przykładowe przebiegi: napięcia sterującego (kanał 1) i
prądu w obciążeniu (kanał 2)

Dla

dwóch

wartości napięcia referencyjnego zbadano

wpływ wartości rezystancji rezystora pomiarowego R

p

na

wartość średnią prądu obciążenia I. Wyniki przedstawiono
w tabeli 1 oraz na rysunku 5.

Tabela 1. Zależność średniej wartości prądu I płynącego w
obciążeniu od wartości rezystancji R

p

dla dwóch wartości napięcia

referencyjnego: 250 mV i 500 mV.

U

ref

= 250

mV

R

p

, Ω

1,5 0,91 0,39 0,18 0,12

I, mA

185 275 590 1300 1720

U

ref

= 500

mV

R

p

, Ω

1,5 0,91 0,39

I, mA

335 500 1100

Z rysunku 5 wynika, że przy zadanym napięciu
referencyjnym wartość prądu obciążenia można regulować
za pomocą rezystora pomiarowego. Okazuje się jednak, że
jest to zależność nieliniowa, a sposób regulacji niezbyt
wygodny z praktycznego punktu widzenia. Warto jeszcze
raz podkreślić, że przy wyższych wartościach prądu
obciążenia należy stosować rezystory pomiarowe o
możliwie małych wartościach (ze względu na sprawność
układu).
Znacznie lepsza jest regulacja wartości prądu za
pomocą zmiany napięcia referencyjnego (tabela 2 i rysunek
6). W tym przypadku charakterystyki są praktycznie liniowe.
Dodatkową zaletą tej metody jest możliwość cyfrowego
ustawiania wartości prądu.

Rys. 5. Zależność średniej wartości prądu I płynącego w
obciążeniu od wartości rezystancji R

p

dla dwóch wartości napięcia

referencyjnego: 250 mV i 500 mV

Tabela 2. Zależność średniej wartości prądu w obciążeniu od
wartości napięcia referencyjnego (rezystor pomiarowy R

p

= 0,91 Ω)

Rys. 6. Zależność średniej wartości prądu w obciążeniu od wartości
napięcia referencyjnego

(rezystor pomiarowy R

p

= 0,91 Ω)

Podsumowanie
W artykule przedstawiono koncepcję cyfrowego
regulatora prądu diod LED, bazującego na popularnym
mikrokontrolerze 8-bitowym z rodziny AVR. Badania
eksperymentalne wykazały, iż układ spełnia swoje zadanie.
Niewątpliwą zaletą regulatora jest jego niski koszt i
dostępność elementów. Proponowany układ może zastąpić
droższe i często trudno dostępne, w ilościach detalicznych,
sterowniki specjalizowane.
Wewnętrzne zasoby sprzętowe zastosowanego
mikrokontrolera pozwalają na znaczne rozszerzenie
funkcjonalności regulatora (np. ustawianie cykli czasowych
oświetlenia, automatyczne wykrywanie i sygnalizacja
uszkodzenia diody, praca w charakterze kluczowanego
źródła prądu) bez ponoszenia dodatkowych kosztów, a
jedynie poprzez odpowiednią modyfikację oprogramowania.

Publikację przygotowano w ramach pracy statutowej
S/WE/1/2006

LITERATURA

[1] Elektronika Praktyczna Plus, Power LED, Nr 3/2007
[2] 8-bit AVR with 8K Bytes In-System Programmable Flash.

ATmega8, Rev.2486V–AVR–05/09, www.atmel.com

Autorzy: dr inż. Andrzej K a r p i u k , Politechnika Białostocka,
Wydział Elektryczny, Katedra Automatyki i Elektroniki, ul. Wiejska
45d, 15-351 Białystok, E-mail: [e-mail];
dr inż. Wojciech W o j t k o w s k i , Politechnika Białostocka, Wydział
Elektryczny, 15-351 Białystok, Wiejska 45D, tel. [phone], fax
85 746 94 00, e-mail; [e-mail]

U

ref

, mV

250 500 750 1000

I, mA

275 500 740 980