Microchip Technology Inc
2017_257_18
Kristine Angelica Sumague, aplikacijski inženir in Mark Pallones, vodja ekipe pri Microchip Technology Inc. predstavljata primer, kako lahko uporabimo majhen mikrokontroler za krmiljenje LED gonilnika tudi za zatemnilni triak.
Mikrokontroler se med drugim lahko uporabi tudi za nadzor LED gonilnika, ki je združljiv z zatemnilnimi stikali s triaki in pri tem zahteva le minimalno vlaganje v vgrajeno programsko opremo, ki potem uporabnikom omogoča dodajanje algoritmov za izboljšanje izdelka, izboljšavo sistema v smislu vnašanja neke stopnje inteligence ali merjenje kateregakoli parametra. Ta metoda je posebno privlačna zaradi svoje lastne korekcije faktorja moči (PFC).
Sama zasnova uporablja flyback pretvornik velike moči, ki deluje v načinu kritičnega prevajanja (CCM, critical conduction mode), kar razmejuje delovanje med neprekinjenim in prekinjenim načinom toka skozi tuljavo. V bistvu je topologija enaka kot pri običajnem flyback pretvorniku, razen, da za polnovalnim usmernikom ni kondenzatorja. To pomeni, da se namesto fiksne enosmerne napetosti lahko kot vhod v pretvornik uporabi usmerjena sinusoidna napetost.
Ta metoda uporablja Microchipov mikrokontroler PIC12HV752 z osmimi zunanjimi priključki, z vgrajenim izhodnim generatorjem signalov (COG) in s perifernimi napravami na nivoju strojne opreme, recimo časovnikom za omejevanje (HLT), ki sta kot po meri za aplikacije s pretvorbo energije. Glavni namen COG v tem vezju je pretvorba dveh ločenih vhodnih dogodkov v en sam PWM izhod. HLT deluje kot časovna omejitev na nivoju strojne opreme, ki se uporablja pri aplikacijah z asinhronimi analognimi povratnimi informacijami. Notranji vir ponastavitve (resetiranja) sinhronizira HLT z analogno aplikacijo.
Ostala vgrajena periferija vključuje IO vrata, fiksno referenčno napetost (FVR), primerjalnike, digitalno-analogni pretvornik (DAC), merilnike časa, krmilno enoto PWM (CCP) in analogno-digitalni pretvornik (ADC). Ta kombinacija bo zadostovala za zatemnitveni triak z aktivno korekcijo faktorja moči (PFC) pri 0,95 in vhodno napetostjo od 90 do 240V AC in maksimalno izhodno enosmerno napetostjo 20V pri izhodnem toku 325mA.
Primerjalnika (komparatorja) pretvarjata vrednosti iz analognih tokokrogov v digitalno obliko s primerjavo dveh analogni napetosti in zagotavljajo digitalno indikacijo njihove relativne vrednosti. 5-bitni DAC modul prevede usmerjeno vhodno napetost, ADC pa pretvori vhodni signal v 10-bitno binarno vrednost.
Prednosti
Zatemnitev s triakom dobro deluje skupaj z žarnicami z žarilno nitko, ker gre za čisto ohmsko breme. Zato je za oblikovanje LED gonilnika, ki bi bil združljiv z zatemnjevanjem s triakom, potrebno za čisto ohmsko upornost oblikovati tudi vhodne značilnosti LED gonilnika. PFC lahko deluje tako, da je z vhodne AC strani LED videti kot čista upornost, tako da je tok na vhodni liniji v fazi z napetostjo vhodne linije.
Poleg visokega faktorja moči (PF) obstajajo tudi druge prednosti, ki jih ta topologija lahko zagotavlja, kot je na primer izolacija med omrežno napetostjo in izhodom pretvornika, kar je zaželeno zaradi varnostnih razlogov. Prav tako zmanjšuje potrebo po hladilnih telesih. CCM zagotavlja nizke stikalne izgube MOSFET-a, visok PF zmanjšuje disipacijo v mostičnem usmerniku, nižje število uporabljenih komponent pa zmanjša ceno in velikost izdelka. Majhen in predvsem cenejši folijski kondenzator nadomešča velik visokonapetostni elektrolitski kondenzator, ki se običajno nahaja za polnim mostičnim usmernikom.
Kako deluje
Slika 1 prikazuje poenostavljeno vezje LED gonilnika s PIC mikrokontrolerjem, ki krmili delovanje vezja na primarni strani z uporabo omenjenih vgrajenih perifernih naprav. Periferna COG enota zagotavlja PWM signal, ki poganja vhod MOSFET MCP1416 gonilnika, da vklaplja in izklaplja MOSFET (Q1). Naraščajoči rob PWM krmilita HLT ali C1 primerjalnika, medtem ko padajoči rob krmili primerjalnik C2. Vhod C1 se izračuna iz napetosti pomožnega navitja transformatorja T1, ki ga primerjamo z VSS, da bi zaznali prehod napetosti pomožnega navitja (Vaux) skozi ničlo. Na vhodu C2 je napetost, ki jo sicer lahko izmerimo na uporu RSense, primerja pa se z izhodom DAC. Izhod DAC je odvisen od njegove lastne referenčne napetosti Vref, ki je povezana s signalom vhodnega vala in ki je pravzaprav le polnovalno usmerjen vhodni signal, speljan skozi preprost delilnik napetosti.
Glavna prednost krmiljenja delovanja na primarni strani je implementacija PFC, ki jo dosežemo s pomočjo načina prenosa in krmiljenja najvišjega dovoljenega toka.
Zagon
Pri priključitvi vhodne AC napetosti se napetost na bazi tranzistorja Q4 v zagonskem vezju na sliki 2 povečuje. Ko je bazna napetost dovolj visoka, se Q4 vklopi in dioda D14 je polarizirana v prevodni smeri.
Napetost na bazi tranzistorja Q4 je z zener diodo D13 omejena na 10V. Ko se Q4 vklopi, steče kolektorski tok skozi RC in D14, da poveča VDD PIC mikrokontrolerja. Ko je napetost VDD dovolj visoka (običajno najnižja delovna napetost VDD uporabljenega mikrokontrolerja), se inicializirajo HLT, COG, DAC, ADC in primerjalniki, nato pa HLT oddaja pulz s frekvenco 58 kHz, da na začetku vklopi Q1. To požene tok skozi primarno navitje T1 in pretvori magnetni tok v inducirano napetost Vaux, pri kateri se bo Q1 izklopil.
Ko polnovalno usmerjeni Vaux doseže 10V, napetost v prevodni smeri skozi D14 pade pod 0.7V. To povzroči, da D14 ne prevaja več in Q4 se zapre. Ko je Q4 zaprt, se VDD dovaja prek Vaux. Pomembno je, da je Q4 med normalnim delovanjem vezja vedno izklopljen, da bi se izognili izgubi moči na tranzistorju Q4. Ta ostane zaprt tako dolgo, dokler je Vaux še dovolj visoka. Delovanje zagonskega vezja je prikazano skozi valovno obliko, prikazano na sliki 3.
Stanje pripravljenosti
Ko je Q1 vklopljen, je sekundarna dioda D2 izključena in napetost preko T1 primarne magnetizacijske induktivnosti (VLP) je enaka Vin(f), ki je polnovalno usmerjena vhodna napetost in je enaka najvišji vhodni napetosti (Vpk), pomnoženi s faznim kotom polnovalno usmerjene napetosti vhodne linije. Tudi ko je Q1 vključen, se primarni induktivni tok (ILP) povečuje linearno. Ta tok bo pretočil skozi upor za Rsense, pri katerem bo nastal padec napetosti, ki se uporablja kot občutljiva napetost (Vsense), da prevede ILP.
Zaradi dogodka vklopa Q1 na ILP običajno vplivajo motnje, ki se odražajo tudi v nivoju Vsense, kot je prikazano na sliki 4. Da bi tem motnjam preprečili proženje lažnega preklopa, periferna enota COG uporablja primerjalne časovnike za odštevanje določenega števila ciklov.
Napetost Vsense potem primerjamo z napetostjo DAC (VDAC) – ki je hkrati tudi najvišja vrednost toka – s primerjalnikom C2. Vir napetosti VDAC je polnovalno usmerjena vhodna napetost prek delilnika napetosti, tako da natančno sledi usmerjeni AC napetosti na vhodu in sili maksimalni tok primarnega navitja transformatorja (ILpk), da je sinhroniziran in sorazmeren z usmerjeno napetostjo va vhodu. Na tak način s tem vezjem dosežemo funkcijo PFC. Ko Vsense doseže VDAC, tranzistor Q1 izklopi in HLT se ponastavi.
Kot smo že omenili, to vezje deluje v CCM načinu. Za zagotovitev tega načina delovanja med prevajanjem se mora Q1 ponovno vključiti v trenutku, ko ILS (sekundarni induktivni tok) doseže vrednost nič. To je omogočeno z zaznavanjem prehoda toka skozi ničlo s pomočjo primerjalnika C1, ki zazna ničelni prehod ILS na osnovi Vaux. Slika 5 prikazuje časovni diagram, s katerim lahko vizualiziramo krmilno delovanje od zagona do stanja dinamičnega ravnovesja.
Dodatna vezja
Na sliki 1 so prikazani nekateri elektronski bloki, ki nastopajo v konstrukciji, da bi izboljšali zanesljivost delovanja. Vhodno zaščitno tokovno vezje je aktivno vezje, ki ščiti ostale komponente na primarni strani tako, da omejuje velikost konic vhodnih tokov. Zaščitno vezje potrebuje tudi dodaten tok, da ohranja tok skozi triak pri nizki napetosti vhodne linije. Če ne bi vzdrževali tega zahtevanega toka triaka, bi prišlo do proženja. Vezje je prikazano na sliki 6.
Vezje prenapetostne zaščite se uporablja za zaščito Q1 od velikih induciranih napetostnih konic, ki jih povzroča induktivnost T1. Ko se Q1 izklopi, se v induktivnosti akumulirana energija pretransformira nazaj na primarno navitje. Vezje prenapetostne zaščite absorbira to energijo, s čimer zmanjša napetost inducirane konice.
Vgrajena programska oprema
Stroški vgrajene programske opreme so majhni in so v glavnem le inicializacijo vgrajenih, od procesnega jedra neodvisnih perifernih naprav. Zunanji priključki na PIC mikrokontrolerju so izbrani glede na njihovo funkcijo. Ko so priključki nastavljeni, so periferne enote nastavljene in vklopljene. Med inicializacijo se vzpostavijo notranje povezave in funkcije perifernih naprav. ADC zazna status zatemnilnega vezja, izvedenega s triakom. Če je usmerjena vhodna napetost, ki jo vzorči ADC, presegla najnižjo napetost toka praga držanja triaka, se odklopno vezje izklopi, sicer pa se bo vklopilo. Preden se odklopno vezje vklopi, za oceno stanja zatemnilnega vezja s triakom seveda nastane določena zakasnitev.
Zaključek
Za zvezno zatemnitev in tiho delovanje je prav gotovo izziv, kako se izogniti neželenemu preklopu triakov, ki ga povzročijo motnje v smem vezju in ki se pojavijo, ko je triak prvič sprožen. Vhodni filter tega vezja gonilnika LED zahteva optimizacijo, da bi se tem težavam izognili in zagotovili, da se valovna oblika valov ne bo spremenila.
Na koncu lahko rečemo, da smo s tukaj predstavljenim primerom vezja pokazali, kako je lahko PIC mikrokontroler za krmiljenje LED-gonilnika združljiv tudi s tradicionalnimi oblikami zatemnilnih vezij s triaki.
