Utilizzo del controllo DHC (dynamic headroom control) per applicazioni di illuminazione industriale

Le applicazioni di segnaletica e illuminazione a LED, come le lampade industriali a torre, diffuse tra i macchinari industriali o i grandi display a LED utilizzati negli stadi, condividono un problema, quella della limitata possibilità di dissipazione della potenza. Negli ambienti industriali è importante che queste luci e questi segnali siano in grado di dissipare il calore generato per ottenere la massima durata dei LED. Se le applicazioni utilizzano driver LED lineari, è necessario ridurre al minimo la caduta di tensione nel driver LED lineare, che a sua volta necessita di regolazione della tensione del regolatore di alimentazione in base alla tensione diretta del LED. Questa tecnica è detta DHC (dynamic headroom control).

Figura 1: Driver LED RGB

 

Se la corrente è sempre la stessa, la caduta di tensione dei LED rimane costante anche nel caso di variazioni della temperatura e del processo. Ad esempio, è possibile dimensionare la rete di retroazione di un regolatore variabile in modo da avere una tensione residua di 0,5 V, ossia appena al di sopra del valore minimo. È necessario che la caduta di tensione sia sufficiente in modo che il regolatore lineare possa funzionare, anche durante variazioni di temperatura ed entro le tolleranze dei componenti, ma occorre anche che la tensione sia bassa in modo da minimizzare la dissipazione di potenza.

In ogni caso, è necessario considerare la variazione della tensione diretta indicata nella scheda tecnica. Per un LED verde, essa potrebbe essere compresa tra 2,7 V e 3,4 V a 10 mA, pertanto è necessario impostare il regolatore di tensione ad almeno 3,4 V + 0,5 V = 3,9 V. È consigliabile non avvicinarsi troppo al valore minimo, poiché sono sempre presenti delle tolleranze nel riferimento del regolatore di tensione e nei resistori.

Per un singolo LED la dissipazione di potenza sarà pari a circa 12 mW, che nella maggior parte dei casi non desta preoccupazioni. Tuttavia molte applicazioni non presentano un solo LED; pertanto potrebbe essere desiderabile aumentare la corrente.

Diamo ora un’occhiata al driver LED TLC5971 rosso-verde-blu (RGB) con un solo regolatore di tensione. Il LED blu presenta la tensione diretta più alta, pari a 3,8 V. Pertanto, è necessario progettare il regolatore di tensione per 4,3 V, lasciando un po’ di margine in più per una corrente maggiore. Il dispositivo è dotato di quattro canali RGB, pertanto la dissipazione di potenza arriverà a 4 × ((4,2 – 3) + (4,2 – 2,7) + (4,2 – 2,1)) × 0,01 = 192 mW. Se si sale fino a 20 mA e si utilizza un solo regolatore per tutti i colori a 5 V (disponibile come tensione di uscita fissa), la dissipazione di potenza risulta ancora più elevata.

Come è possibile ridurre la dissipazione di potenza?

Un modo per ridurre la dissipazione di potenza consiste nell’utilizzare un regolatore per ciascun colore o almeno una tensione per la linea rossa e un’altra tensione per le linee verde e blu. Come mostrato nella Figura 1, le tensioni del verde e del blu sono simili l’una all’altra, ma la tensione della linea di LED rossa è inferiore alla verde e alla blu.

Figura 2: Tensione diretta per LED di diversi colori

Inoltre è possibile ottenere un’ulteriore riduzione regolando la tensione di ciascun regolatore: un modo semplice per farlo è iniettare una tensione nella rete di retroazione di un regolatore. È possibile utilizzare un convertitore digitale/analogico (DAC) o creare un proprio DAC utilizzando una modulazione di larghezza di impulso (PWM) e un filtro passa-basso. La Figura 2 mostra una simulazione di un regolatore a tensione controllata. Sulla destra si trova un segnale PWM proveniente da un microcontroller (MCU) con filtro passa-basso e iniettato nella rete di retroazione.

Figura 3: Simulazione di un PWM per il controllo di un regolatore di tensione

 

Come nella maggior parte dei sistemi in cui è presente una MCU, il micro può misurare la caduta di tensione del driver LED e impostare il PWM per il controllo del regolatore di tensione. Questo loop di controllo non deve essere veloce o molto preciso, poiché non ha alcun effetto visibile se non una maggiore dissipazione di potenza. È possibile simulare l’intera alimentazione elettrica, incluso il PWM, dall’MCU. Nella simulazione mostrata nella Figura 2, il PWM è generato da un generatore di tensione configurato per generare un PWM a 20 kHz, con un duty cycle crescente compreso tra 0 e 100% nel giro di 1 s.

La simulazione richiede molto tempo, pertanto potrebbe essere opportuno simulare il DAC dopo aver modificato i parametri per verificare che funzioni. Simulando separatamente le due parti principali si velocizza l’intera simulazione. Un passaggio del duty cycle PWM dovrebbe presentarsi in modo simile alla Figura 3.

 

Figura 4: Tensione DAC risultante dalla variazione del duty cycle PWM

 

L’iniezione di una tensione positiva nella rete di retroazione riduce la tensione di uscita a seconda della tensione e dei resistori. Se si iniettano 0 V, la tensione di uscita è al massimo. La Figura 4 mostra l’effetto dell’iniezione sulla tensione di uscita.

Figura 5: Risultati della simulazione

 

Effetto del DHC sul consumo totale di energia

Texas Instruments ha implementato il DHC iniettando la tensione nella rete di retroazione nel Progetto di riferimento per luce di segnalazione RGB con interfaccia IO-Link per una lampada a torre con 20 LED RGB e cinque driver LED TLC5971. Come mostrato in Figura 5, si ottiene un consumo di energia totale del sistema pari a 6,5 W, con una tensione fissa di 4,5 V per il driver LED e una corrente di 20 mA per LED. Consentendo la regolazione della tensione per una caduta di tensione di 0,5 V sul driver LED si riduce la dissipazione totale della potenza a 4,5 W.

Figura 6: Confronto della dissipazione di potenza con e senza DHC

 

La tecnica DHC può aiutare a ridurre l’elevata dissipazione di potenza delle applicazioni di segnalazione e illuminazione a LED tramite driver LED. La tecnica consente di ottenere significative riduzioni di potenza offrendo la possibilità di regolare il proprio regolatore di tensione.

Risorse supplementari:

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