Die Farbe von LED-Bühnen- und -Architekturbeleuchtung steuern

Rote, grüne und blaue (RGB) LEDs können in Bühnen- und Architekturbeleuchtungssystemen verwendet werden, um helle und brillante Farben zu projizieren. Manchmal wird eine zusätzliche weiße LED zur RGB-Mischung hinzugefügt, um die Farbpalette in Schattierung, Sättigung und Helligkeit zu erweitern (Bild 1). Unabhängig von der Anzahl der Farbkomponenten muss die Helligkeit jeder einzelnen davon akkurat gesteuert werden, um vorhersagbare Farben zu erzielen oder Farbabweichungen der LEDs auszugleichen. Die Anzahl der verfügbaren Farben hängt dabei von der Anzahl der auflösbaren Helligkeitsstufen der Farbe einer jeden einzelnen Farbkomponente ab. Einige Systeme bieten eine Auflösung von bis zu 1/256 (8 Bit) der vollen Helligkeit. Höhere Auflösungen sind jedoch möglich und ergeben mehr Farben (Bild 2).

Die genauste Methode die Helligkeit einer weißen LED zu steuern ist die PWM-Dimmung. LED-Treiber, die interne PWM-Dimm-Takte und digitale Register (um das Dimmverhältnis einzustellen) enthalten, bieten die beste Möglichkeit für RGBW-Systeme. Bei großen und komplizierten Systemen – solche mit vielen unterschiedlichen RGBW-LEDs – erlaubt ein serieller Kommunikationsbus, die Einstellung dieser Register mit digital verbesserten LED-Treibern on-the-fly vorzunehmen.

Bild 3 zeigt zwei Methoden RGBW-LEDs zu betreiben und zu dimmen. Die erste, eine Matrix-LED-Dimmlösung, war bis vor kurzem die beste Weise ein Array von Hochleistungs-LEDs digital zu steuern. Die zweite, eine direkte Treiberlösung, ist wegen der Nutzung von vier separaten digital verbesserten LED-Treibern, je einen für jede Farbe (R,G,B und W), eine genauere, effizientere Lösung und hat weniger Ausgangswelligkeit. In einem solchen System wird der LED-Strom oder das PWM-Dimmen einer jeden einzelnen LED oder LED-Kette von deren eigenem LED-Treiber und dessen Steuersignalen geliefert. In einem Matrix-Dimmer steuert ein einziger LED-Dimmer den PWM-Strom für bis zu acht LEDs. Die zusätzlichen Anforderungen für dieses System sind eine Hochspannungsleitung und ein abwärtswandelnder LED-Treiber mit einem Kondensator geringer Kapazität am Ausgang, um die LED-Ketten zu treiben. Der Hochspannungspegel kann einen zusätzlichen Aufwärtsregler erfordern und der LED-Strom (vom Ausgang mit geringer Kapazität des Abwärtswandlers) kann eine große Welligkeit zeigen.

Beleuchtungssysteme mit einer großen Anzahl an RGBW-LEDs benötigen eine erhebliche Anzahl an Treibern und Synchronisationsaufwand, um die geeigneten Signale von diesen Treibern zu liefern. Die Methode mit der höchsten Leistung ist es, jede LED-Komponente mit einem eigenen Hochleistungs-LED-Treiber zu versorgen. Bei dieser Methode kann das PWM-Dimmen, der DC-Strom und die Spannung jeder einzelnen LED mit der höchsten Vorhersagbarkeit und geringsten Ausgangswelligkeit unabhängig voneinander gesteuert werden. Ein derartiges System ist mit den über einen seriellen Bus gesteuerten, abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treibern LT3964 einfach zu implementieren.

Abwärtswandelnder Zweifach-LED-Treiber mit I²C-Dimmsteuerung

Der abwärtswandelnde Zweifach-LED-Treiber LT3964 ist eine ideale Lösung zum Betreiben mehrfacher LEDs oder LED-Ketten mit hohem Strom und hoher Bandbreite mit I²C-Steuerung und Datenausgabe über eine serielle Kommunikationsschnittstelle. Abwärtsregler haben eine inhärent hohe Bandbreite und zwei abwärtswandelnde, synchrone, hochfrequente 36-V-/2-MHz-LED-Treiber in einem gemeinsamen Gehäuse mit integrierten 2-A-Schaltern. Sie machen das Betreiben mehrfacher Kanäle von Hochstrom-LEDs mit dem LT3964 relativ einfach.

Die serielle I²C-Kommunikation vereinfacht sowohl das analoge als auch das PWM-Dimmen für zwei voneinander unabhängige LED-Kanäle, das von jedem LT3964 geboten wird, wobei bis zu acht LT3964-Adressen an einem einzigen I²C-Bus unterstützt werden. Das Schaltungsbeispiel eines abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treibers mit 2 MHz und 1 A (Bild 4) hat einen hohen Wirkungsgrad und sehr kleine Ausmaße. Es kann für den Betrieb von bis zu 30 V LED-Strom pro Kanal aus einem 34-bis-36-V-Eingang modifiziert werden – bei einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent.

13-Bit-RGBW-Farbsteuerung

Zwei LT3964-LED-Treiber reichen zum Betreiben einer einzigen LED oder einer LED-Kette mit 1 A oder höher (Bild 5). Obwohl die RGBW-Farbe allgemein mit einer 8-Bit-Auflösung des 1:256-Dimmverhältnisses gesteuert wird, kann der LT3964 für jeden Kanal ein 1:8192-Dimmverhältnis mit 13 Bit Auflösung, kombiniert mit einem analogen Dimmverhältnis von 1:10, erzielen – alles gesteuert über I²C.

Diese direkte Ansteuermethode erlaubt es, die RGBW-LEDs stark in Helligkeit und Spannung zu variieren – jeder Kanal ist dabei völlig unabhängig. In diesem Beispiel wird eine einzelne RGBW-LED von Cree mit vier LT3964-Kanälen, jeder mit einem 1-A-Ausgang, betrieben. Mit nur wenigen Änderungen der digitalen Register werden sowohl Helligkeit als auch Farbsteuerung auf bis zu 1:8192 PWM-Dimmung und 1/10 Analog-Dimmung für jede rote, grüne, blaue und weiße LED erweitert. Die einzige echte Farbbegrenzung liegt nun in den LEDs selbst. Tatsächlich ist diese exakte Steuerung der Farbzusammenstellung zur Farbkorrektur allgemein wünschenswert.

Einfache Synchronisation großer LED-Arrays

Die integrierten synchronen Leistungsschalter und die Schaltfrequenz von 2 MHz resultieren in einer sehr kleinen Lösung mit einer kleinen Spule und einem Keramikausgangskondensator für jeden LED-Kanal. Die CLKOUT- und SYNC-Pins des LT3964 erlauben es, zwei ICs zu synchronisieren, was unerwünschte Schwebungsfrequenzen verhindert und ein einheitliches Timing des PWM-Dimmens über die serielle Kommunikationsschnittstelle sicherstellt. Dies eliminiert für beide ICs die Notwendigkeit, eine externe Taktquelle verwenden zu müssen, was wiederum die Lösung vereinfacht.

Bild 6 illustriert den Ausgangsstrom mit geringer Welligkeit dieser Vierkanallösung mit zwei ICs im Vergleich zur Matrix-LED-Dimmerlösung mit höherer Welligkeit. Natürlich präsentiert die direkte Treiberlösung ohne Matrix mit dem LT3964 eine reinere Form des LED-Stroms als die Matrix-Dimmerlösung, die wegen der kleinen Ausgangskondensatoren eine höhere Welligkeit aufweist.

Flexibles, intuitives Abwärtswandelsystem

Der LT3964 ist flexibel genug, um Systeme zu unterstützen, die mehr als nur vier Farbkomponenten benötigen. Der Farbumfang für RGB(W)-LEDs ist in Bild 7 dargestellt. Ist ein erweiterter Farbraum nötig, können zwei zusätzliche LED-Elemente wie bernsteingelbe, zusätzliche grüne oder sogar zyanfarbige LEDs hinzugefügt werden. Um diese zusätzlichen Farbkomponenten zu betreiben, wird einfach ein weiterer LT3964 an denselben I²C-Bus angeschlossen.

Nicht alle LED-Systeme, die RGBW-Farben mischen, nutzen monolithische RGBW-LED-Chips. In diesen Systemen werden separate Ketten von roten, grünen und blauen LEDs in größere und hellere Leuchten eingebaut. LED-Ketten mit unterschiedlichen Spannungen können von jedem abwärtswandelnden LT3964-Kanal getrieben werden, solange die LED-Kettenspannungen unter der Eingangsspannung bleiben. Ketten mit bis zu 30 V LED-Spannung bei 1 A und darüber können von einem einzigen LT3964-Kanal betrieben werden.

Serielle I²C-Kommunikation

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Steuerung des analogen und PWM-Dimmens mit dem LED-Treiber LT3964. Eine Möglichkeit ist es, die Dimm-Pins mit externen Spannungen über den I²C-Bus direkt zu treiben. Im Betrieb ohne I²C-Bus werden die CTRL1- und CTRL2-Pins zum analogen Dimmen der LEDs mit einstellbaren DC-Spannungen betrieben und die PWM1- und PWM2-Pins mit gepulsten Signalen beaufschlagt, mit Tastverhältnissen, die der Helligkeit des PWM-Dimmens der LEDs entsprechen. Bei dieser Methode ist die LED-PWM-Frequenz mit den Eingängen des PWM-Pins synchronisiert und die LED-Helligkeit und die EinFschaltdauer des LED-Stroms stimmen mit den Eingangspulsen der PWM-Pins überein. In größeren Systemen kann das Erzeugen einer Kombination von PWM- und analogen Eingangssignalen zum Dimmen für eine große Kanalzahl sehr komplex sein.

Die zweite und potenziell effizientere Methode ist es, einen seriellen Kommunikationsbus wie den I²C zum Ansteuern jedes LED-Kanals oder jeder LED-Kette zu verwenden. Der einfache Zweidraht-I²C-Bus wird genutzt, um die Funktionen von acht unterschiedlichen Slave-Bausteinen mit einem Master-Baustein wie einem kleinen Mikrocontroller zu steuern. Bei Arbeitsfrequenzen von bis zu 400 kHz muss der I²C-Master nur drei Byte generieren, um jedes der neun Register in den LT3964-Slave-Bausteinen zu aktualisieren. Es gibt mehrere Register, zwei analoge Dimmregister, ein Zustands-Enable-Register zum Einstellen von Fehlern, ein Zustandsregister zum Auslesen von Fehlern und ein Konfigurationsregister für einige allgemeinere Funktionen. Es gibt drei Byte an I²C-Schreibbefehlen einschließlich Adressen, Unteradressen und Datenworten. Bild 8 demonstriert die unterschiedlichen I²C-Schreib- und Lese-Befehle in der seriellen Kommunikation des LT3964.

Der LT3964 erzielt über I²C eine 13-Bit-Dimmsuflösung (1:8192). Das Tastverhältnis und die Frequenz der PWM-Dimmung werden eingestellt, indem man die beiden PWM-Register für jeden Kanal verwendet (Bild 9). Bild 10 zeigt die resultierende ILED-Signalform. Sie ist mit einigen wenigen I²C-Schreibbefehlen einfach auf bis zu 16 unterschiedliche Kanäle auszuweiten (für insgesamt jeweils zwei Kanäle und acht Adressen).

Zusätzlich zur PWM-Dimmsteuerung besitzt jeder Kanal noch ein analoges 8-Bit-Dimmregister, das mit einem Schreibbefehl aktiviert werden kann. Das analoge Dimmen, wenn aufgerufen, wird typischerweise nur bis zu einem Dimmverhältnis von etwa 1:10 eingesetzt. Häufiger wird das PWM-Dimmen zur Mischung von RGBW-Farben verwendet – es ist auch ohne zusätzliches Analog-Dimmen ausreichend genau für eine wiederholbare Farberzeugung. Nichtsdestotrotz ist es in Systemen, die eine verbesserte Steuerung benötigen, nützlich, die Einstellung des DC-LED-Stroms als Hilfsmittel zu haben.

Weitere I²C-Register betreffen die Einstellung von Fehlerschutzfunktionen und das Auslesen der Fehler. Der LT3964 kann über Alert-Pins und I²C-Zustandsregister Fehler für jeden Kanal anzeigen. Die Fehler werden jedoch nur angezeigt, wenn die Status-Register einzeln aktiviert sind und ein Fehler eintritt. Unterbrochene und kurzgeschlossene LEDs, Überstrom sowie Überspannung können für beide Kanäle aktiviert, ausgegeben und gelesen werden. Sie können aber auch deaktiviert und ignoriert werden. Der Fehlerschutz ist ein wichtiger Teil eines jeden seriellen Kommunikationssystems.

Auf der nächsten Seite geht es um die 2-MHz-Demonstrationsschaltung und Quick Eval

Es ist einfach einen Prototyp für ein LT3964-LED-System mit I²C zu erstellen und zu evaluieren. Analog Devices hat dazu eine Demonstrationsschaltung entwickelt, die eine grafische Bedienoberfläche (GUI, graphical user interface) zum Test der seriellen Kommunikation enthält. Dieses System verwendet das Programm Quick Eval, wenn es über eine Linduino-One-Demonstrationsschaltung (DC2026C) und USB mit einem PC verbunden ist. Kurz gesagt, wenn sie über USB an eine DC2026C-Schaltung (Linduino) angeschlossen ist, kann die serielle Kommunikation der Demoschaltung für den LT3964 mit jeweils einem Befehl evaluiert werden.

Die Bilder 9, 11 und 12 zeigen, wie einfach es ist, die GUI-Seiten der LT3964-Demoschaltung zu verwenden. Auf jeder Seite können die Registerelemente eingestellt und dann über den I²C-Bus aktualisiert werden. Die analogen und PWM-Dimmregister können wie auch die Status-Enable-Bits und das globale Konfigurationsregister für jeden Kanal separat aktualisiert werden. Für jeden I²C-Befehl, der über den Bus gesendet wird, zeigt das Interface die Adresse, die Unteradressen und die erzeugten Datenbits an. Die Register können auch mit den Lesebefehlen der GUI ausgelesen werden. Tritt während des Tests ein Fehler auf, stellt die GUI einen Fehler dar und warnt oben rechts im Display. Dann können Maßnahmen ergriffen werden, um die Art des Fehlers zu untersuchen und den Fehler mit den Status- und Status-Enable-Registern zu beheben.

In einem einzigen RGBW-System gibt es auf dem I²C-Bus zwei notwendige, separate I²C-Adressen (für vier LED-Komponenten). Standardmäßig sendet die GUI alle Befehle zur Standardadresse „1100“, dies kann jedoch modifiziert werden. Die Adresse wird im oberen rechten Display jeder Seite angezeigt und kann durch klicken auf die Zahlen geändert werden. Auf diese Weise können die Dimm- und Zustandsregister von bis zu acht Adressen mit der GUI gesteuert und ausgelesen werden. Zusätzlich erlaubt es die digitale Wortseite der GUI, alle drei Adressen, Unteradressen und Datenwörter manuell einzugeben und als I²C-Befehl zu senden. Nutzer können das Datenblatt oder die anderen Seiten der GUI lesen, wie man Schreib- und Lese-Befehle generiert, was im seriellen Datenlogger am unteren Rand des Bildschirms dargestellt ist.

Bild 13 zeigt, wie einfach es ist, zwei standardmäßige DC2424A-Demoschaltungen zur I²C-Steuerung unter Einsatz der GUI und einer Linduino-Baugruppe über ein Flachbandkabel miteinander zu verbinden. Die SDA- und SCL-Zweidraht-I²C-Leitungen liegen gemeinsam am Bus und die Warnsignale sind auf das Linduino-Flachbandkabel zusammengelegt. Der Alert-Pin jedes LT3964 ist ein Open Collector mit Pull-down-Widerstand, sodass der Master erkennt, ob ein Fehler auf einem der ICs vorhanden ist. Wenn dies eintritt, zeigt die GUI in der oberen linken Ecke einen roten Alert-Kreis. Ist ein Systemfehler vom Master-Mikrocontroller erkannt, folgt ein Antwortprotokoll, um den/die Fehler zu definieren und/oder zu beheben.

Der LT3964 besitzt umfassende Fehlerschutzmechanismen. Er handhabt sowohl Unterbrechungen als auch Kurzschlüsse von LED-Ketten sicher. Er kann auch Überstrom am Ausgang verhindern, was nicht notwendigerweise von Kurzschlüssen kommen muss. Treten diese Fehler auf, wird die Alert-Fehleranzeige des LT3964 aktiviert. Die Alert-Busleitungen werden, wenn sie auf dem gleichen Bus liegen, nach unten gezogen (asserted), wenn einer der LT3964-Bausteine im System einen Fehler aufweist. Die I²C-Kommunikation kann genutzt werden, um zuerst das IC mit einem Fehler zu lokalisieren und anschließend den Fehler zu diagnostizieren. Die Fehlerarten können dann das Alert Flag aufrufen und innerhalb des Zustand-Enable-Registers eingestellt werden. Ein Fehler wie eine kurzgeschlossene LED oder ein LED-Überstrom können hier aktiviert oder deaktiviert werden.

Nach Aufruf einer Warnung wird ein Lesebefehl gesendet, um die Slave-ICs abzufragen und herauszufinden, welches IC die Warnung ausgab. Bei mehrfachen Warnungen sendet das IC mit der kleineren Adresse seine Adresse zuerst. Im nächsten Schritt werden die Zustandsregister der fehlerhaften Adresse gelesen. Dies sollte genug Information sein, um den Fehler zu diagnostizieren und den Warnhinweis wieder zu beseitigen. Bleibt der Warnhinweis bestehen, kann ein weiterer ausgesendeter Lesebefehl nach nachgelagerten fehlerhaften Adressen suchen. Wurden die fehlerhaften Adressen und Zustandsregister ausgelesen, können die fehlerhaften Zustands-Bits durch Senden eines Schreibbefehls an die fehlerhafte Adresse zurückgesetzt werden. Wird der Fehler damit nicht behoben, besteht die Möglichkeit eine Service-Anforderung auszugeben, oder der Fehler wird ignoriert, indem man die Zustands-Enable-Bits abschaltet, die den Fehler erkennen.

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