Ledivalaistus tarjoaa monia mahdollisuuksia energiatehokkuuteen ja innovatiiviseen valaistussuunnitteluun, mutta näiden mahdollisuuksien toteuttaminen vaatii älykästä tehonsyöttöä ja ohjausta.

Artikkelin kirjoittaja Fionn Sheerin toimiii Microchipillä analogia- ja liitäntäpiirien divisioonan vanhempana tuotemarkkinoinnin insinöörinä. Hänen vastuullaan on esimerkiksi PWM-ohjaimien, analogiaohjaimien mosfetien, LDO-piirien ja mosfet-ohjaimien tekninen markkinointi.

Ledivalaistus lupaa visuaalisesti häikäiseviä tuotteita, joiden tehohäviöt ovat pienempiä ja elinkaaret pidempiä, mutta lopulta pelkkä ledi ei riitä tähän: koko piiriratkaisun pitää vastata lupaukseen. Sovelluksissa, joissa elinkaari on lyhyt, alhaisen virran ledejä voidaan helposti ohjata resistorilla. Mutta sovelluksissa, joilta halutaan suurta luotettavuutta, pitkää elinkaarta, tehokkuutta tai laadukasta valoa, on parempi tapoja sähköistää ja monitoroida diodia.

Jatkuvana virranlähteenä toimiva teholähde voi komponsoida suuritehoisille ledeille ominaista vaihtelua, mikä varmistaa valon luotettavuuden ja paremman kokemuksen käyttäjlle. Näiden sovellusten kasvava kysyntä luo yhä tehokkaampia ledin ajuriratkaisua: PWM-ohjaimet, integroidut jatkuvan virran regulaattorit ja hakkuriteholähteet pystyvät hallitsemaan ledisovellusten ainutlaatuisia tarpeita. Microchipin MCP19114-piiri suunniteltiin vastaamaan moniin näistä vaatimuksista ja sen avulla voidaan kehittää visuaalisesti näyttäviä, uusia ja innovatiivisia käyttäjien toivomia valaistusratkaisuja.

Johdonmukaisuus ja laatu

Ikävä kyllä ledipiirien tuotanto tuottaa laajaa vaihtelua kynnysjännitteessä (piirin virta tietyllä jännitteellä), valovoimassa (valoteho tietyllä virralla) ja kromaattisuudessa (valon laatu). Ledivalmistajat näkevät paljon vaivaa lajitellakseen tuotteensa, jotta voivat taata yhtenäisen laadun. Mikäli niitä ei soviteta kunnolla, rinnakkain sijoitetut ledit voivat tuottaa nähtävästi erilaista valoa samalla virralla. Monissa tapauksissa tulokset voivat olla visuaalisesti häiritseviä. Vaikka ledien lajittelu (ns. binning) on aina toivottavaa, hyvin suunniteltu teholähde voi myös kompensoida ledien tuotantoprosessin rajoituksia.

Lopulta piirin tavoite on tuottaa ennalta määriteltyä valoa. Ledin tuottama valo ei ole lineaarisesti suhteessa sen läpi kulkevaan virtaan. Ledin virta ei ole lineaarisesti suhteessa kynnysjännitteeseen. Ledin fkynnysjännite ei ole lineaarisesti suhteessa sen lämpötilaan. Kaikki nämä suhteet muuttuvat piirin elinaikana. Piirin suunnitteleminen tuottamaan johdonmukaista valoa ja laadukasta väriä ei ole triviaalia. Tämä ongelma on vieläkin monimutkaisempi väriä sekoittavissa sovelluksissa, joissa ueita ledejä pitää ohjata suhteessa toisiinsa. Tehokkaan teholähteen pitää kyetä tarkasti reguloimaan lähtövirtoja ja valikoivasti himmentämään valon PWM-signaalilla. Sen pitää kompensoida muutokset antovirrassa ja kuormassa koko eliniän ja lämpötilan vaihdellessa varmistaakseen laadukkaan toiminnan. MCP19114-piirille on integroitu 8-bittinen mikro-ohjain, AD-muunnin ja useita yleiskäyttöisiä I/O-nastoja. Nämä voidaan firware-ohjelmistolla ohjelmoida monitoroimaan ja säätämään avainparametreja. Jos esimerkiksi valoteho riippuu lämpötilasta, ja AD-muunnin lukee ledin lämpötilan ulkoisesta termistorista, ohjain voi pienentää virtaa tai moduloida teholähteen antovirtaa kompensoidakseen lämpötila-arvoa ja säilyttääkseen tasaisen valotehon. Tämä on harvinainen ominaisuus teholähdeohjaimissa ja yksinkertaisten kytkinregulaattoreiden kykyjen ulottumattomissa.

Luotettavuus ja elinikä

Ledivalonlähteillä on erittäin pitkä elinikä, joskus puhutaan jopa 100 000 tunnista (kun toimitaan oikeilla virroilla ja oikeissa lämpötiloissa). Tämä tuo mukanaan kaksi potentiaalista ongelmaa: ajuripiirin pitää kestää yhtä kauan kuin ledin ja ajuripiirin täytyy pitää ledi operoimassa hyväksyttävissä olosuhteissa. Hyvin suunniteltu teholähde voi tehdä nämä molemmat.

Kun lediä ajetaan ylivirralla (eli suuremmalla kuin valmistajan suosittelemalla maksimivirralla) ne kärsivät monista negatiivisista vaikutuksista. Piirin valovoimatehokkuus putoaa, joten se tuottaa vähemmän valoa suhteessa syöttötehoon. Värilämpötila ja kromaattisuus vaihtelevat, ja komponentin elinikä lyhenee. Korkeammilla virroilla valoteho voi itse asiassa pudota, kun virtaa kasvatetaan. Äärimmäisissä tapauksissa ledin johdinlankojen sekoittuminen voi johtaa piirin ennenaikaiseen pettämiseen.

Liika lämpö myös lyhentää komponentin elinikää. Ensiksi se näkyy alentuneena valotehona, mutta johtaa lopulta laitteen pettämiseen. Jotkut ledit on arvioitu toimimaan jopa sadan asteen lämpötilassa, mutta niillä kaikilla on lämpötilaraja, jossa diodi pitäisi kytkeä pois päältä. Tämän takia erittäin kirkkaat ledit eli HB-ledit (high brightness) asennetaan usein jäähdytyselementin päälle, jonka koko määräytyy huonoimpien ajateltavissa olevien (eli ns. worst case) olosuhteiden mukaisesti. On muitakin keinoja ratkaista tämä ongelma. Älykkäämpi lediajuri voi mitata ledin lämpötilan termistorilla tai lämpötila-anturilla, ja antoteho voidaan säätää sen mukaisesti.

Microchipin digitaalisesti parannellut analogiset teho-ohjainpiirit MCP19114 ja MCP19115 sisältävät AD-muuntimen, jota voidaan käyttää ledin lämpötilan seurantaan. Sovelluksesta riippuen ohjain voidaan ohjelmoida himmentämänää ledi, mikäli se alkaa ylikuumentua. Äärimmäisissä lämpötiloissa ohjain voi sulkea sovelluksen, jotta vahinkoa ei pääse syntymään. Sekä raja-arvo että haluttu toiminto voidaan konfiguroida ohjaimen firmware-ohjelmistossa. Joissakin tapauksessa tämä mahdollistaa pienempien jäähdytyselementtien käytön, kun tiedetään että teholähde pystyy reguloimaan ledin lämpötilaa äärimmäisissä olosuhteissa. Ohjaimessa itsessään on sisäänrakennettu lämpötilakytkin, joka suojaa teholähdettä ja kuormaa. Nämä ominaisuudet tekevät loppusovelluksesta paljon luotettavamman, sillä ne varmistavat että sekä ledi että ajuripiiri kestävän tuotteen suunnitellun eliniän.

Teholähdesovelluksissa halutaan yhä useammin viantunnistusta ja vikaraportointia. Älykäs teholähderatkaisu kuten MCP19114 tukee tällaisia vaatimuksia. Ledivalaistussovelluksissa tämä voi tarkoittaa avoimien piirien, oikosulkujen tai kynnysjännitteiden muutoksia ledinauhassa, mitkä voisivat aiheuttaa ledin pettämisen tai suorituskyvyn heikkenemiseen. Integroidun I2C-liitännän kautta MCP19114-ohjain voi raportoida tämän datan ledin teholähteestä järjestelmään, ja näin tunnistaa virran ja mahdolliset tulevat ongelmat.

Järjestelmissä, joissa vaaditaan suurta luotettavuutta tai jopa turvallisuuskriittisiä ominaisuuksia, tämä voi olla erittäin arvokasta informaatiota. Järjestelmä voidaan konfiguroida mittaamaan jatkuvasti piirin suorituskykyä tai se voidaan asettaa ajamaan diagnostiikka halutessa. Monikäyttöinen ohjain kuten MCP19114 auttaa suunnittelemaan kestävämmän valaistusjärjestelmän. Ilman tietoliikenneliitäntää olevalla ohjaimella ei voida raportoida näitä suorituskykymittauksia.

Tehokkuus

Kuluttajat haluavat usein korvata ledivalaistuksen korkeammat asennuskustannukset asteittaisella säästämisellä energiankulutuksessa. Samoin kannettavissa ja sulautetuissa sovelluksissa, kuten kulutuselektroniikan laitteissa ja automoduuleissa rajoitetusta käytettävissä olevasta tehosta pitää ottaa optimaalinen hyöty. Tämä onnistuu vain suuren hyötysuhteen teholähteen avulla. Asiakas ei voi tietää eikä hän edes välitä siitä, kuluuko tehoa tehonmuunnoksessa vain ledin liitoskohdassa, mutta he välittänät sähkölaskustaan, akkukestostaan ja polttoaineen kulutuksesta. Jotta lediliitoksen suuresta muunnostehokkuudesta saisi täyden hyödyn, valoa pitää säätää tehokkaalla teholähteellä.

MCP19114-ohjain tulee boost-, SEPIC-, Cuk- ja flyback-topologioita. Se mahdollistaa erittäin joustavan kompensaation valinnan sopimaan haluttuun topologiaan, konfiguroitavan kulmakertoimen asettamisen, sekä täsmällisesti valitut kuolleet ajat (dead-time). Firmware voidan ohjelmoida säätämään kytkentätaajuutta, ja optiona voidaan valita kiinteä taajuus tai kvasiresonanttista toimintaa. Mikä tärkeintä, nämä kaikki voidaan säätää sovellusohjelmistossa MCP19114-ohjaimella. Piirisuunnittelu voidaan uudelleenohjelmoida erilaisia ledikuormia varten, joten teholähdesuunnittelua voidaan käyttää erilaisissa lopputuotteissa ilman, että komponenttivalikoimaa tai sijoittelua tarvitsee muuttaa. Lisäksi firmware-ohjelmisto voidaan päivittää myöhäisemmässä vaiheessa suunnitteluprosessia, minkä avulla voidaan vastata odottamattomiin ongelmiin ilman kortin uudelleensuunnittelua tai komponenttien vaihtamista, mikä pienentää suunnittelun riskejä.

Erittäin kirkkaat HB-ledit ovat kalliita. Valon laatu ja laitteen pitkäikäisyys voi perustella suuremmat kustannukset, mutta vain erittäin laadukkaan lediajuriratkaisun avulla. Kestävät ja monipuoliset lediajurit kuten MCP19114 ovat välttämättömiä, jotta HB-ledien täydet hyödyt saadaan siirrettyä kuluttajalle asti.