Микроконтролери разширяват възможностите и подобряват ефективността на LED осветлението

За инженерите и проектантите на осветителни системи става все по-ясно, че светодиодите ще се превърнат в основен светлинен източник при системите за общо осветление. Големите надежди, подкрепени и от законодателни мерки, че компактните флуоресцентни лампи (CCFL) тотално ще изместят тези с нажежаема нишка, не намериха желания отклик от потребителите. Очакванията сега са, че LED лампите ще могат да предложат по-добра ефективност, надеждност и спектрална характеристика, както и по-дълъг експлоатационен срок.

При общото осветление на домове, офиси и обществени места приложението на светодиодите все още изостава от това в много други области като автомобилните светлини, ефектното архитектурно и уличното осветление, светофарните уредби, подсветката на LCD екрани и др. При някои от тези приложения ефективността е от основно значение за използването на LED, при други решаващо е обстоятелството, че не е необходимо да се осигурява възможност за периодична замяна на източника, при трети ключови са възможностите за управление на цвета и интензитета на излъчваната светлина.

Подобно на CCFL,

светодиодните лампи изискват драйверни, а в много случаи  и управляващи схеми
Светодиодите се захранват с константен токов източник. Въпреки че в редица приложения линеен регулатор на напрежение, конфигуриран като генератор на константен ток, може да е достатъчен, ако се гони висока ефективност и светлинен добив, трябва да се използва импулсно захранване. За целта са подходящи повечето от прилаганите топологии - buck (понижаващ драйвер), boost (повишаващ драйвер), charge-pump (драйвер с натрупване на заряд), SEPIC, buck-boost (комбиниран драйвер) и flyback (инвертиращ драйвер), всяка от които има своите предимства в различни схемни конфигурации.
Много производители, сред които и Microchip, предлагат специализирани драйверни интегрални схеми (ИС). Чрез използване на микроконтролер може да се добави “интелигентност” към подобно приложение или микроконтролерът да замести драйверната ИС, като генерира захранващ сигнал с необходимата форма и честота.
В приложения от рода на ефектното архитектурно осветление, например, предимството от използването на микроконтролер за прецизно задаване на нивата на разноцветните светодиоди е очевидно. Не толкова явно, но абсолютно наложително е използването му, ако се налага генерирането на “чисто бяла” светлина.
При “белите” светодиоди всъщност се излъчва синя светлина, част от която въздейства върху луминофор, светещ в червената или зелена част от спектъра и допълващ общата светлина до бяла. Много бели светодиоди не могат да осигурят висок индекс на цветопредаване (CRI), който е мярка за способността на даден светлинен източник да възпроизвежда вярно всички цветове. По-добро качество на бялата светлина може да бъде постигнато чрез смесване на излъчването от два или повече светодиода. Светлината от всеки източник обаче се променя с времето и температурата. Това може да се коригира, а цветът или корелираната цветна температура (CCT) да се задържат постоянни чрез схема с обратна връзка, включваща сензор за светлина и малък микроконтролер.

Понастоящем на пазара се предлага широка гама малки и евтини

сензори за околна светлина
В типичната си конфигурация те включват три избираеми цветни филтъра - червен, зелен, син и “бял” (безцветен), плюс датчик за силата на светлината. Сензорите за светлина представят данните за интензитета й, които ще бъдат подадени към микроконтролера, по различни начини. При сезорите с преобразувател светлина-напрежение напрежителният сигнал се изпраща към аналогово-цифров преобразувател (АЦП). При сезорите с преобразувател светлина-честота изходът е променлива честота, пропорционална на силата на светлината. Импулсният изход от тези сензори може да се натрупва в таймера на микроконтролера, за да се определи силата на светлината. Сензорите, преобразуващи светлината в цифров код, обикновено са със сериен цифров интерфейс, например I2C. Всеки от тези типове изходни сигнали има своите предимства и изисква използването на различни ресурси от микроконтролера (фиг. 1.)

В системите с пълна обратна връзка микроконтролерът трябва да отчете компонентите на цвета от сензора за светлина, да калибрира изходния му сигнал и да регулира изходните нива на отделните LED драйвери така, че да се получи желаният цвят. Изборът на типа (топологията) на драйвера зависи от фактори като изискванията за ефективност, диапазона на входните напрежения и броя на използваните светодиоди.
За управление на изхода от драйвера се прилагат различни методи. Микроконтролерът може да генерира аналогово задаващо напрежение, като използва цифрово-аналогов преобразувател (ЦАП) или цифров потенциометър, а това напрежение директно да задава тока на LED драйвера. Или, при изцяло дигиталното управление, микроконтролерът може да осигури широчинно-импулсно модулиран (ШИМ) сигнал, който от своя страна да модулира изхода на драйвера. ШИМ сигналът може да се използва за разрешаване/забраняване на самия драйвер или за управление на ключов елемент, който да прекъсва връзката между светодиодите и драйвера. В случай че бъде избрано ШИМ управление, честотата на импулсите трябва да е достатъчно висока, за да не може неизбежното трепкане на светлината да бъде възприето от човешкото око. Този подход е особено подходящ за приложения, в които се изисква максимална ефективност, тъй като повечето светодиоди имат върхови стойности на ефективността си (излъчваната при определен ток светлина), когато работят близо до максимално допустимите си параметри. Това на практика означава, че димирането е по-енергоефективно, когато се осъществява чрез импулсен режим на работа при максимално допустими стойности на тока, отколкото в непрекъснат режим с намален ток.
Конструкторът трябва да реши каква разделителна способност на системата за управление на цвета на светлината иска да реализира, за да избере микроконтролер с необходимата периферия. При сензорите за светлина с напрежителен изход от съществено значение е разделителната способност на вградения в чипа АЦП. Сензорите с изход променлива честота изискват тактова честота от микроконтролера, която да може да бъде повишавана от външен генератор. Сензорите, които на изхода си подават цифров код пък трябва да бъдат свързани към подходяща серийна комуникационна периферия.
За управление на отделни LED драйвери е подходящ микроконтролер с добре развита ШИМ периферия. При системите за управление на цвета на светлината с висока разделителна способност се предпочита ШИМ периферия с 16-битова или по-добра управляваща резолюция. Серийната комуникационна периферия - UART, SPI, I2C, LIN и USB, позволява реализирането на богата входно-изходна и визуализационна функционалност.
Конструкторът също така трябва да определи  честотата на квантуване (sample rate) при която ще работи управляващата система и да избере микроконтролер с подходящи изчислителни ресурси. Ако системата трябва само да поддържа неутрално белия цвят на излъчваната светлина през времето на естествения процес на стареене на светодиодния източник, честотата е много ниска (корекциите се извършват през големи интервали от време). Тук трябва да се има предвид, че светодиодите с различен цвят обикновено имат различни характеристики на изменение на излъчваната светлина както при стареене, така и при промяна на захранването. Ако обаче става въпрос за приложения, изискващи адаптивно и бързо димиране, управлението на цветността трябва да е съобразено със скоростта на промяна на яркостта. Едно от най-големите предизвикателства в този аспект е селективното димиране на LED подсветката при съвременните LCD екрани. За да се повиши контрастът в тъмните области от телевизионната картина, интензивността на подсветката там се намалява, като белият й цвят трябва да се запази, така че да не се компрометира цветния нюанс на изображението. В този случай честотата, с която работи управляващата схема, трябва да е съобразена с кадровата честотата на екрана.
Микроконтролер от типа на PIC24FJ16GA002 (фиг. 2.) е подходящ избор при системите за управление на цветността. PIC24 e в компактен 28-изводен корпус, разполага с програмна памет от 16 до 64 KB и осигурява серийни комуникационни интерфейси, 10-битов АЦП и 5 ШИМ канала. 16-битовото му ядро с лекота се справя с изчислителните изисквания на калибровката на сензора и управлението на цветността.

За постигането на устойчиви резултати
изходът за данни при сензорите за светлина трябва да бъде калибриран спрямо референтен еталон. В процеса на калибриране с помощта на хромаметър се осъществява математическа корелация между излъчването на светодиодите с различен цвят и спектралната чувствителност на сензора за светлина към стандартната система на цветови координати, установена през 1931 г. от Международната комисия по осветление (CIE) - т.нар. CIE XYZ цветно пространство. При процеса на калибриране се генерира матрица от коефициенти, която се съхранява в енергонезависима памет и се използва при определяне на разликата между корелирания и целевия изходен сигнал от системата за управление.
Веднъж калибриран, микроконтролерът сравнява данните от сензора с целевите координати от цветовата CIE диаграма и установява необходимите стойности за драйвера на всеки канал така, че да бъде постигната точната корелирана цветна температура (CCT). Тъй като управляващият контур работи в динамична среда, трябва да се приложи познатият от сервосистемите подход - всеки канал използва PID (пропорционално-интегрално-диференциален) алгоритъм, който коригира данните от сензора с калибрационните стойности, оценява разликата спрямо зададената целева стойност и в съответствие с нея регулира изходните канали. Както при всяка PID система с обратна връзка, алгоритъмът работи непрекъснато за намаляване на грешката, докато получената CCT не достигне желаното съответствие със зададената стойност на CCT. PID коефициентите могат да се променят, за да бъде постигната желаната чувствителност на системата, но сходимостта на процеса зависи от способността на микроконтролера да се справи с изчислителните изисквания. Както вече бе споменато, някои системи за управление на цвета могат да изискват по-бързи изчисления и по-кратко време за реакция от други.

Осветителните системи с регулируеми източници,
както и тези с висок CRI (индекс, описващ способността за “вярно”, съобразено с особеностите на човешкото зрение цветопредаване) могат да имат и допълнителни изисквания към управлението. Така например, едно медицинско устройство, снабдено с графичен LCD дисплей, може да има регулируема LED подсветка, изискваща микроконтролерът да комуникира с LCD екрана по SPI, както и тъчскрийн интерфейс за настройка на CCT и яркостта. Светодиодното осветление на търговска витрина може да изисква управление от централен панел или компютър, чрез което автоматично да се регулира яркостта, CCT, както и включването и изключването според часа от денонощието. Комуникацията между тези устройства може да бъде осъществена посредством хардуерно дефинираните серийни протоколи, използвани в осветителните системи като DALI (Digital Addressable Lighting Interface, IEC 929) или DMX512 (стандарт, често използван при сценичното и ефектното осветление). За целта могат да се прибожат и специално разработени интерфейси, използващи USB или Ethernet. При ретрофита на остарели, но сложни осветителни системи в съществуващи сгради, специалистите по осветителна техника все по-често се отказват от “твърдо” опроводената инфраструктура за управление и се обръщат към безжичните комуникационни средства и протоколи като ZigBee. Микроконтролерите, снабдени с гъвкава периферия, са идеалното средство за реализиране на необходимите комуникационни възможности и потребителски интерфейси в подобни приложения.

Светодиодите, като авангарден светлинен източник
в системите за общо осветление, ще окажат значителен ефект върху живота ни със своята енергоефективност, компактност, надеждност и продължителен експлоатационен срок. Светодиоди с различен цвят, управлявани от микроконтролери, ще се използват за подобряване и настройка на цветовите характеристики на LED осветителните системи, създавайки приятна светлина, подходяща за конкретното приложение. Микроконтролери интелигентно ще регулират мощните драйверни схеми в съответствие с работното задание и условията на околната среда, увеличавайки енергийната ефективност и експлоатационния живот на осветителните системи.