Triakos fényszabályozóval vezérelhető ledmeghajtó

A cikk egy mikrovezérlővel megvalósított, triakos fényerő-szabályozóval (dimmer) is vezérelhető ledmeghajtó tervezését mutatja be, amelyben a vezérlést egy PIC-mikrovezérlő processzormag-független belső perifériáit használva alakították ki.

A cikkben egy mikrovezérlővel (MCU) megvalósított ledmeghajtó áramkört mutatunk be, amely kompatibilis a hagyományos triakos fényerő-szabályozókkal, és mivel viszonylag kevés háttérszoftvert igényel, a felhasználó könnyen továbbfejlesztheti és új funkciókkal láthatja el, amellyel a rendszert intelligenssé, egy vagy több paraméterét mérhetővé teheti. A módszer azért is vonzó, mert beépített teljesítménytényező-korrekciós tulajdonságokkal (Power Factor Correction – PFC) is rendelkezik.
Az áramkörben egy magas teljesítménytényezőjű flyback-feszültségátalakítót használunk, amely kritikus vezetési üzemmódban (Critical Conduction Method – CCM) működik. Ez átmenet két rendszer között, amelyek abban különböznek egymástól, hogy az induktivitás árama folytonos-e vagy sem. Az áramkör topológiája lényegében a hagyományos flyback-elrendezést követi azzal a különbséggel, hogy nincs pufferkondenzátor a teljeshullámú egyenirányító után. Ez azt jelenti, hogy a konverter egyenfeszültség helyett kétutasan egyenirányított szinuszhullámot kap tápfeszültségként.
Az elv megvalósítására a Microchip PIC12HV752 nyolckivezetéses mikrovezérlőjét használjuk, amely integrált hullámforma-generátort (COG^[1]), valamint hardveridőzítő perifériákat (Hardware Limit Timer ‑ HLT) is tartalmaz, amelyek a feszültségátalakító-vezérlésre is alkalmassá teszik.
A COG fő rendeltetése ebben az áramkörben, hogy két független bemeneti eseményt egyetlen PWM^[2]-jelsorozattá alakít át. A HLT időzített hardverkorlátként működik, amelyet aszinkron analóg visszacsatolás céljára használunk majd fel. A beépített alaphelyzetbe állító (reset) forrás szinkronizálja a HLT-t az analóg alkalmazással.
További perifériákat is használunk: I/O-portokat, beépített állandó feszültségű referenciaforrást (Fixed Voltage Reference (FVR), egy digitál-analóg átalakítót (DAC), időzítőket, egy összehasonlításos elvű impulzusszélesség-modulátort (Capture-Compare PWM – CCP) és egy analóg-digitális átalakítót (ADC). Ez a kombináció egy triakos fényerő-szabályozóval vezérelhető ledmeghajtót alkot, amely 0,95-ös teljesítménytényezőjű PFC-vel rendelkezik, a bemeneti feszültsége 90…240VAC, kimenete pedig 20 VDC, legfeljebb 325 mA terhelhetőséggel.
A komparátorok azon a módon illesztik az analóg áramköröket a digitálisakhoz, hogy két analóg feszültséget hasonlítanak össze, és digitális jellel fejezik ki a két analóg jel egymáshoz viszonyított nagyságát. Az ötbites DAC alakítja át az egyenirányított bemeneti jelet. Az ADC a bemeneti jelet 10 bites bináris értékké alakítja át.

 1. ábra A triakos fényszabályozóval vezérelhető ledmeghajtó egyszerűsített elvi kapcsolási rajza

Előnyök

Az izzólámpa fényereje kifogástalanul szabályozható egy triakos fényerő-szabályozóval, mivel egyszerű ohmos ellenállásnak tekinthető. Következésképpen ahhoz, hogy egy triakos fényerő-szabályozóval kompatibilis ledmeghajtót tervezhessünk, a ledmeghajtó bemenetének is tiszta ohmos ellenállásként kell viselkednie. A PFC-áramkör képes arra, hogy a ledmeghajtót a váltakozó áramú bemenet felől nézve tiszta ohmos terheléssé alakítsa át azáltal, hogy gondoskodik arról, hogy a bemeneti áram és a hálózati feszültség azonos fázisú legyen. A magas teljesítménytényező-érték mellett ennek a kapcsolásnak egyéb előnyei is vannak: galvanikusan elszigeteli a váltakozó áramú bemenetet az átalakító kimenetétől, amely életbiztonsági szempontból nagyon fontos. Ezenkívül pedig csökkenti a hűtőborda iránti igényt. A CCM alacsony kapcsolási veszteséggel működteti a kapcsoló MOSFET-et. A magas teljesítménytényező-érték csökkenti a híd-egyenirányító disszipációját, a szükséges alkatrészek alacsony száma pedig csökkenti az árat és a méretet. Egy kisméretű és olcsó filmkondenzátor helyettesíti a híd-egyenirányító kimenetére helyezett „méretes” és költséges, nagyfeszültségű elektrolitkondenzátort.

Hogy működik?

Az 1. ábra mutatja a primer oldalt vezérlő PIC-mikrokontrollert és annak a korábbiakban említett, beépített perifériáit felhasználva megvalósított ledmeghajtó egyszerűsített kapcsolási vázlatát.

A COG-periféria egy PWM-jelet állít elő, amely vezérli az MCP1416 MOSFET-meghajtó bemenetét, amely a Q1 teljesítménykapcsoló ki- és bekapcsolásáért felel. A PWM-jel felfutó élét a HLT vagy a C1 komparátor, a lefutó élet a C2 komparátor vezérli. A C1 komparátor bemeneti jele a T1 transzformátor segédtekercsének feszültsége, amelyet a VSS feszültséggel hasonlít össze a segédtekercs-feszültség (V_aux) nullátmenetének érzékelésére. A C2 bemeneti jele az R_sense ellenállás feszültsége, amelyet a DAC kimenetével hasonlít össze. A DAC kimenőjele függ a referenciafeszültségétől, amelyet ebben az alkalmazásban a tápegység bemeneti hullámformájából egy egyszerű feszültségosztóval leosztott jelből állítunk elő. A primeroldali szabályozás fő előnye a PFC megvalósítása, amelyet előrecsatolásos módszerrel és csúcsáram-üzemmódú szabályozással érünk el.

Az áramkör indulása

Amikor váltakozó feszültséget kapcsolunk a bemenetre, a 2. ábrán látható indító (bootstrap) áramkör Q4 tranzisztorának bázisfeszültsége növekedni kezd. Ha ez a bázisfeszültség már elegendően nagy, a Q4 tranzisztor kinyit, és a D14 dióda nyitóirányú előfeszítést kap.
A Q4 tranzisztor bázisfeszültségét 10 V-on tartja a D13 zenerdióda. Amikor a Q4 bekapcsol, a kollektorárama átfolyik az R_C ellenálláson és a D14 diódán, hogy megnövelje a PIC-mikrovezérlő tápfeszültségét (VDD). Ha a VDD már elég magas (rendszerint ez akkor következik be, ha az adott mikrovezérlő számára szükséges minimális tápfeszültség fölé növekszik), a HLT, a COG, a DAC, az ADC és a komparátorok működni kezdenek, amelyet követően a HLT kibocsát egy 58 kHz-es impulzussorozatot, amelynek feladata a Q1 első bekapcsolása. Ez energiával tölti fel a T1 transzformátor primer tekercsét, és mikor a Q1 kikapcsol, a mágnesező áram létrehozza a V_aux feszültséget. Ha a V_aux elérte a 10 V-ot, a D14 dióda feszültsége 0,7 V alá csökken. Ez lezárja a D14-et, és kikapcsolja a Q4 tranzisztort. Amíg a Q4 kikapcsolt állapotban marad, a mikrovezérlő VDD a tápfeszültségét a Vaux-ból kapja. A felesleges teljesítménydisszipáció elkerülése miatt fontos, hogy a Q4 mindig kikapcsolt állapotban legyen az áramkör normál működése során, azaz a Q4 maradjon kikapcsolva mindaddig, míg elegendő V_aux feszültség áll rendelkezésre. Az indítóáramkör működését a 3. ábra mutatja be a hullámformák segítségével.

2. ábra Az indítóáramkör

3. ábra Az indítóáramkör jellemző hullámformái

Állandósult állapot

Amikor a Q1 bekapcsolt állapotban van, a szekunder oldali D2 dióda kikapcsol, és a T1 primer tekercsének induktivitását mágnesező feszültség (V_LP) egyenlő a V_in(f) feszültséggel. Ez utóbbi az egyenirányított bemeneti feszültség, amely a bemeneti feszültség csúcsértékének és az egyenirányított jel fázisszöge koszinuszának szorzata. A Q1 bekapcsolt állapotában egyébként a primer tekercs árama (I_LP) lineárisan növekszik. Ez az áram átfolyik az R_sense ellenálláson, amelynek feszültségesését (V_sense) az I_LP-vel arányos mérőjelként használjuk. A Q1 bekapcsolási jelenségei miatt az I_LP jelet rendszerint zaj befolyásolja, amely a V_sense jelben is megjelenik, amint az a 4. ábrán is látható. Annak érdekében, hogy ez a kapcsolási zaj ne okozhasson hamis triggerelést, a COG periféria a komparátor kimenőjeleket – időzítők segítségével – néhány ciklusnyi időtartamra letiltja.
A V_sense jelet a DAC feszültségével (V_DAC) – amely egyben alapjel is a csúcsáram szabályozásához – a C2 komparátor hasonlítja össze. A V_DAC feszültséget az egyenirányított bemeneti feszültségből egy feszültségosztóval állítjuk elő, így az követi az egyenirányított bemeneti jel változását, és a primer tekercs csúcsáramát (I_Lpk) arra kényszeríti, hogy időben szinkronizált, amplitúdóban pedig arányos legyen az egyenirányított bemeneti feszültséggel. Az áramkör ezen a módon valósítja meg a PFC-funkciót. Amikor a V_sense eléri a V_DAC feszültséget, a Q1 kikapcsol, és a HLT jel alaphelyzetbe áll.
Amint említettük, az áramkör CCM üzemmódban (Continuous Current Mode – folytonos áramüzemmód) működik. Hogy ezt a folytonos üzemmódot megvalósíthassuk, a Q1-nek ismét be kell kapcsolnia, amint az I_LS (a transzformátor szekunder árama) eléri a nulla értéket. Ezt a C1 komparátor nullátmenet-detektálásával valósítjuk meg, amely az I_LS nullátmenetét a V_aux segédtekercs-feszültség értékéből ismeri fel. Az 5. ábra mutatja a vezérlési folyamat működését az áramkör indulásától az állandósult állapot kialakulásáig.

Segédáramkörök

Az 1. ábrán látható néhány olyan áramköri részegység is, amelyet a megbízhatóság növelése érdekében építettünk be az áramkörbe. Az áramlökés elleni védőáramkör (Inrush Current) egy aktív áramkör, amely védi a primeroldali alkatrészeket azáltal, hogy csillapítja a nagy impulzusszerű áramlökéseket. A bleeder^[3] áramkör alacsony hálózati bemeneti feszültségnél megnöveli az áramfelvételt, hogy a triakon ilyen körülmények között is elegendő tartóáram folyhasson. Ha az áramfelvétel ezt a minimális tartóáram-értéket nem éri el, a triak téves időpontokban is begyújt. Az áramkör működését a 6. ábra mutatja. 

Egy feszültséghatároló (vágó, snubber) áramkört is beépítettünk abból a célból, hogy a Q1 tranzisztort megvédjük a nagy feszültségtranziensektől („tüskéktől”), amelyek a T1 transzformátor szórt induktivitása miatt keletkeznek. Amikor a Q1 kikapcsol, a szórt induktivitásban tárolt mágneses energia visszahat a primer tekercsre. A feszültséghatároló áramkör hővé alakítja ezeknek az impulzusoknak az energiáját, ezáltal csökkentve a feszültségtüske hatását.

4. ábra A Vsense  jelen megjelenő kapcsolási zaj

 5. ábra A ledmeghajtó vezérlési idődiagramja

 6. ábra A bleeder áramkör működése

Firmware

A mikrovezérlő programja rendkívül egyszerű és kis helyfoglalású, mivel leginkább csak az MCU processzormagtól függetlenül, önállóan működő perifériáinak inicializálását kell elvégeznie. A PIC-eszköz kivezetéseit a funkciójuknak megfelelően kell konfigurálni. Miután a kivezetések funkcióját konfiguráltuk, a belső kapcsolatok és perifériák ennek megfelelően beállítódnak és működni kezdenek.
Az ADC detektálja a triakos fényerő-szabályozó állapotát. Ha az ADC által mintavételezett, egyenirányított bemeneti feszültség meghaladja a triak minimális tartóáramához szükséges küszöbértéket, a bleeder áramkör kikapcsolódik – ellenkező esetben pedig bekapcsolódik. Mielőtt a bleeder áramkört bekapcsolnánk, bizonyos mértékű késleltetésre van szükség a triakos fényerő-szabályozó pillanatnyi állapotának kiértékeléséhez.

Összefoglalás

Annak érdekében, hogy egy fényerő-szabályozó simán és halkan működhessen, meg kell oldani azt a feladatot, hogy elkerüljük a téves triak-begyújtásokat, amelyek annak a lengésnek a következtében jönnek létre, amelyet a triak első begyújtása okoz. A bemutatott ledmeghajtó bemeneti szűrőjének tervezésekor optimalizálást kell végezni ennek a problémának az elkerülése érdekében.
Végeredményben a cikkben bemutatott áramkör példáján látható, hogy egy PIC-mikrovezérlő hogyan képes olyan ledmeghajtót vezérelni, amely kompatibilis a hagyományos triakos fényerő-szabályozókkal.

www.microchip.com

Kristine Angelica Sumague alkalmazástechnikai mérnök

és Mark Pallones csoportvezető ‑ Microchip Technology

---

^[1] A COG-rövidítés a Microchip mikrovezérlőiben előforduló modul neve (Complementary Output Generator), amely sokfunkciós, ellenütemű kimenetű impulzustechnikai jelátalakítóként használható. Részletes ismertetésére itt nem térhetünk ki, az érdeklődők bővebb információt találnak itt: http://microchip.wikidot.com/8bit:cog – A ford. megj.

^[2] PWM (Pulse Width Modulation): impulzusszélesség-moduláció – A ford. megj.

^[3] A „bleeder” szó szerint „véreztető” jelentésű, amelyre nem találtam magyarul is kifejező, elfogadott vagy legalább elfogadható fordítást. Az áramkör funkciója a következő mondatokból világosan kiderül. – A ford. megj.

Még több Microchip

Címkék: ledmeghajtó | PIC vezérlő | dimmer kompatibilis