Auf einen Blick

Digitalsignalcontroller (DSC) vereinen die Funktionen von DSP (Digitale Signalprozessoren) und MCU (Mikrocontroller). Damit übernehmen sie viele Funktionen bei der LED-Steuerung: Sie erzeugen das PWM-Signal zur Dimmung, steuern einen Aufwärts- oder Abwärts-Spannungsregler und kommunizieren per DMX512 oder anderen Protokollen.

Dank ihrer außergewöhnlichen Kombination von Wirkungsgrad, Dimmfähigkeit und Langlebigkeit lassen sich LEDs besonders gut in Lichtsteueranlagen mit Farbwechsel anwenden. Für die effiziente Steuerung und Farbregelung sowie für die Kommunikation mit der Außenwelt genügt ein Digitalsignalcontroller (DSC). Alles in allem ergibt sich daraus für den Designer die einzigartige Möglichkeit, hoch differenzierte, futuristische LED-Installationsobjekte zu entwerfen.

LEDs als Betriebsanzeigen sind Bestandteil vieler Produkte, die meisten Ingenieure kennen sich mit ihnen aus. Ein richtig dimensionierter Serienwiderstand genügt, um den Strom durch die LED auf weniger als 5 mA zu begrenzen. Mit einem Mehrzweck-Ein-/Ausgang (GPIO) eines Mikrocontrollers verbunden, kann die LED auch blinken. Jedoch wird das LED-Design erheblich komplexer, so bald man sehr helle LEDs mit hohen Vorwärtsströmen jenseits von 350 mA zusammenschaltet. Das heißt für den Designer: er muss den Strom regeln, auch wegen Temperaturänderungen und extremer Hitze durch die LEDs selbst.

Bild 1: Der Lichtstrom (Normalized Luminous Flux) verhält sich proportional zum Vorwärtsstrom (Forward Current).

Bild 1: Der Lichtstrom (Normalized Luminous Flux) verhält sich proportional zum Vorwärtsstrom (Forward Current).Microchip

Intelligente Stromregelung

High-Brightness-LEDs benötigen einen relativ hohen konstanten Strom, um ihre Helligkeit und Farbe beizubehalten. Bild 1 zeigt, dass sich der Lichtstrom einer LED proportional zum Vorwärtsstrom (IDiode) der LED verhält. Ein konstanter Vorwärtsstrom ist deshalb für gleichbleibende Farben und eine gleichmäßige Lichtausbeute ausschlaggebend. Mittels eines einfachen Widerstands an der LED bestimmt sich der Vorwärtsstrom durch folgende Gleichung:

  • IDiode = (VQuelle-VDiode)/R

Wenn die Quellspannung VQuelle variiert, werden sich der Vorwärtsstrom und damit auch der Lichstrom der LED ändern. Die LED muss daher an einer Stromversorgung betrieben werden, die den Vorwärtsstrom aktiv regelt.

Temperaturregelung

Typischerweise steigt die Vorwärtsspannung (VDiode) der LED, wenn die Temperatur zunimmt, auch wenn der Vorwärtsstrom konstant bleibt und geregelt wird. Bild 2 zeigt, wie ein ungenau geregelter Vorwärtsstrom sich in Abhängigkeit von der Vorwärtsspannung der LED ändert. Dies erklärt, warum die Regelung des Vorwärtsstroms durch die LED wichtiger ist als die Regelung der Vorwärtsspannung.

Bild 2: Änderungen der Vorwärtsspannung (Forward Voltage) beeinflussen den Vorwärtsstrom (Forward Current).

Bild 2: Änderungen der Vorwärtsspannung (Forward Voltage) beeinflussen den Vorwärtsstrom (Forward Current).Microchip

Eine Hochleistungs-LED erzeugt einiges an Hitze, was wiederum die Lebenserwartung verkürzt und zu einem frühzeitigen Ausfall der LED führen kann. Die aktive Regelung des Vorwärtsstroms der LED beeinflusst auch die Wärmeentwicklung eines Designs, basierend auf dem gewünschten Vorwärtsstrom und der geschätzten Vorwärtsspannung. Für den Schutz vor möglicher Überhitzung eignet sich eine Überwachung durch Temperatursensoren.

Exakte Farbregelung

Dass LEDs ihre Lichtleistung nahezu augenblicklich ändern können, macht sie ideal für Lichtobjekte, die ihre Farbe schnell wechseln müssen. Eine Kette von roten, grünen und blauen LEDs kann jede Farbe generieren, indem man die Helligkeit jeder LED verändert. Den Vorwärtsstrom jeder LED niedriger oder höher einzustellen, ist eine Möglichkeit. Allerdings beeinflusst die Veränderung der Vorwärtsspannung nicht nur die Helligkeit, sondern ändert auch die Farbe der LED leicht, was äußerst unerwünscht ist, wenn es auf genau Farbdarstellung ankommt.

Die Alternative ist ein gepulster Strom, der den gleichen Dimmeffekt ohne Farbänderung zur Folge hat. Bild 3 zeigt eine rot gepunktete Linie, die den durchschittlichen gepulsten Strom repräsentiert, der die Helligkeit beeinflusst, wobei der Vorwärtsstrom durch die LED konstant bleibt und die Farbe sich nicht ändert.

Bild 3: Gepulster Vorwärtsstrom (Forward Current) zur Änderung der Helligkeit (Brightness) der Diode.

Bild 3: Gepulster Vorwärtsstrom (Forward Current) zur Änderung der Helligkeit (Brightness) der Diode.Microchip

Digitale Dimmerregelung

Der Einsatz von Digitalsignalcontrollern vereinfacht die Helligkeitsregelung durch die Technik des gepulsten Stroms. Die modernen PWM-Module vieler DSCs eignen sich gut, um LED-Leistungsstufen per PWM-Signal zu regeln. Diese Module haben auch Override-Eingänge zur schnellen und präzisen Abschaltung der PWM-Ausgänge, um den Strom durch die LED zu regeln und sie dimmen zu können. Die Intensität der Dimmung wird durch eine Zahl zwischen 0 und einem Wert bestimmt, der für volle Helligkeit steht.

Bild 4: Die Digitale Dimmersteuerung verwendet einen Dimmzähler (Dimming Counter), um nur während der Dimmzeit (Dimming Time) den LED-Vorwärtsstrom (Forward Current) einzuschalten.

Bild 4: Die Digitale Dimmersteuerung verwendet einen Dimmzähler (Dimming Counter), um nur während der Dimmzeit (Dimming Time) den LED-Vorwärtsstrom (Forward Current) einzuschalten.Microchip

Um die LED auf 50 % Helligkeit zu setzen, zählt ein Zähler von 0 bis 255 und triggert den PWM-Override-Eingang, sobald die Zahl 128 erreicht ist. Der PWM-Ausgang wird dann geschlossen und der Strom für die LED unterbrochen. Sobald der Zähler den Wert 255 erreicht, wird er auf 0 zurückgesetzt und der PWM wieder freigegeben. Der Controller wiederholt den Vorgang und erzeugt so den gepulsten Strom, der für die Dimmung der LED benötigt wird (siehe Bild 4). Typischerweise beträgt die Frequenz 400 Hz um sicher zu stellen, dass die Dimmfrequenz hoch genug ist, um ein sichtbar störendes Flackern der LED zu vermeiden.

Digitale LED-Ansteuerung

Zusätzlich zur Helligkeitsregelung kann ein DSC als Netzteil arbeiten und den Vorwärtsstrom einer Hochleistungs-LED regeln. Hier sind auch Abwärts- oder Aufwärtsregler mit Hilfe des DSCs für die Versorgung der LED einsetzbar.

Bild 5: Schaltplan der Abwärtsregelung für die Ansteuerung einer LED oder einer LED-Kette.

Bild 5: Schaltplan der Abwärtsregelung für die Ansteuerung einer LED oder einer LED-Kette.Microchip

Die Abwärtsregelung wird dann eingesetzt, wenn die Vorwärtsspannung der LED oder der LED-Kette niedriger ist als die Quellspannung. In dieser Schaltung (Bild 5) steuert der PWM den Schalter (Q) und die Spannung über dem Messwiderstand (Rsns) entspricht dem Vorwärtsstrom der LED, wenn der Schalter (Q) geschlossen ist. Der Komparator des DSCs wird für den Vergleich der Spannung über dem Widerstand (Rsns) mit einer konfigurierbaren internen Referenz eingesetzt, die sich proportional zum erforderlichen Vorwärtsstrom der LED verhält.

Wenn die gemessene Spannung höher als die interne Referenz ist, deaktiviert der analoge Komparator den PWM und öffnet den Schalter (Q), die Spule (L) entlädt ihren gespeicherten Strom über die Diode (D) und die LED. Beim Beginn der nächsten PWM-Periode schließt der Schalter (Q) wieder und der Vorgang beginnt erneut. Aufgrund der fortgeschrittenen Eigenschaften des DSCs ist diese Methode der aktiven Regelung des Vorwärtsstroms durch die LED möglich, ohne überdimensionierte Vorkehrungen durch eine CPU.

Bild 6: Schaltplan einer Aufwärtsregelung zur LED-Ansteuerung.

Bild 6: Schaltplan einer Aufwärtsregelung zur LED-Ansteuerung.Microchip

Die Aufwärtsregelung (Bild 6) kommt hingegen zum Tragen, wenn die Vorwärtsspannung der LED oder der LED-Kette höher ist als die Quellspannung. Wie bei der Abwärtsregelung steuert der PWM den Schalter (Q) und der Vorwärtsstrom über dem Messwiderstand (Rsns) wird überwacht. Das ADC-Modul auf dem DSC tastet die Spannung über dem Messwiderstand ab, die mit dem Vorwärtsstrom über der LED korreliert. Dieser Wert wird dann einer Proportional-Integral-Regelschleife übergeben und mittels der Software auf dem DSC ausgewertet, um das Tastverhältnis des Schalters (Q) einzustellen, das auf den ADC-Messwert und einem Software-Referenzwert beruht und dem erforderlichen LED-Strom entspricht. Die Implementation der PI-Regelschleife in die Software des DSCs schafft zudem einiges an Flexibilität, um eine ganze Reihe unterschiedlicher Regelmethoden einzusetzen. Da keine CPU für die PI-Regelschleife erforderlich ist, bedeutet dies auch, dass der DSC mehrere LED-Ketten steuern kann und noch genügend Kapazität für zusätzliche Aufgaben hat.

Digitale Kommunikation

Ein DSC besitzt ausreichende Leistungsreserven für die intelligente Steuerung von LED-Lichtobjekten. Der Entwickler kann somit für den zeitgleichen Betrieb ein Kommunikationsprotokoll implementieren, ohne einen zusätzlichen Kommunikations- und Steuerbaustein zu benötigen. Das DMX512-Lichsteuerungsprotokoll zum Beispiel arbeitet mit standardisierter Einwegkommunikation mit einem Master und mehreren Slaves. Es können Befehle an einzelne Lichtobjekte mit einer Rate von 512 Bytes pro Datenpaket und mit individueller Adressierung jedes Gerätes oder Knotens übermittelt werden.

Die Hochgeschwindigkeitsverarbeitung eines DSPs erlaubt die Ausführung schneller Regelschleifen, wie den PI-Regler für den Aufwärtskonverter. Der Aufwärtsregler wiederum hat Vorrang, während im Hintergrund das Kommunikationsprotokoll abläuft, wie DMX512. Da die Kommunikation in die Software implementiert und somit nicht auf ein einziges Protokoll festgelegt ist, kann das Objekt mit jedem Kommunikationsschema gesteuert werden.

Schnell gelernt

Wie jede neue Technologie stellt auch die digitale LED-Steuerung den Designer vor eine anspruchsvolle Lernphase, die aber durch den Einsatz von digital gesteuerten LED-Beleuchtungskits, Referenzdesigns und Applikationshinweise verkürzt wird. Sie alle schließen freien Quellcode und Hardware-Dokumentation ein. Es gibt auch austauschbare Leistungsstufen, um unterschiedliche Leistungstopologien zu realisieren. Das DM330014 LED Lighting Development Kit von Microchip wird zum Beispiel mit unterschiedlichen LED-Tochterplatinen geliefert, die dem Designer Versuche mit verschiedenen Treibern auf derselben Hauptplatine ermöglichen.

Der hohe Wirkungsgrad und die verzögerungsfreie Helligkeitssteuerung von LEDs sorgen dafür, dass diese Technologie neue Techniken der Farbmischung und andere Lichtapplikationen nach vorn bringen wird. Intelligente Steuerung und Kommunikation durch einen DSC geben dem Designer die Möglichkeit, sein LED-Beleuchtungssystem mit zusätzlichen Eigenschaften und Funktionalitäten anzureichern, die ein hohes Niveau in der Differenzierung und einen beachtlichen Aufmerksamkeitsfaktor in der Steuerung von Lichtanwendungen ausmachen.