TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Semestrální projekt Richard Schreiber Liberec 2012 Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií Ústav řízení systémů a spolehlivosti Zadání semestrálního projektu Příjmení a jméno studenta, (osobní číslo nepovinné) Richard Schreiber Datum zadání práce 15.2. 2012 Plánované datum odevzdání květen 2012 Rozsah grafických prací Rozsah průvodní zprávy Název práce (česky) Dle potřeby dokumentace cca 15 stran Název práce (anglicky) Switching current source for power LED Zásady pro vypracování BP: 1. Prostudujte teorii spínaných zdrojů 2. Navrhněte schéma a plošný spoj spínaného zdroje proudu 3. Realizujte funkční model Seznam odborné literatury: [1] Krejčiřík, A.: Zdroje proudu. Praha, BEN 2002 [2] Krejčiřík, A [3] Katalogové listy firem Linear Technology, Cree, National Semiconductors Vedoucí BP/DP Ing. Lubomír Slavík Konzultant BP/DP 2

Abstrakt Práce se zabývá konstrukcí osvětlovače, kde jsou zdrojem světla LED diody s velkým výkonem. Osvětlovače se široce používají u inteligentních kamerových systémů pro nejrůznější aplikace, pracují převážně v pulzním režimu a jsou přímo spínány kamerou. V úvodní části je jednoduché seznámení s problematikou osvětlování v kamerových systémech, dále jsou popsány možnosti napájení výkonových LED diod a druhy zdrojů. V další části je popsán stávající osvětlovač se všemi nedostatky a návrh nového uspořádání řídicí elektroniky. Dále je provedena analýza možného uspořádání nového osvětlovače, jako je například výběr vhodní koncepce a je provedeno zhodnocení. Vlastní realizace a oživení je popsáno v závěrečné části zprávy. Klíčová slova: LED, proudový zdroj, osvětlovač 3

Abstract Práce se zabývá konstrukcí osvětlovače, kde jsou zdrojem světla LED diody s velkým výkonem. Osvětlovače se široce používají u inteligentních kamerových systémů pro nejrůznější aplikace, pracují převážně v pulzním režimu a jsou přímo spínány kamerou. V úvodní části je jednoduché seznámení s problematikou osvětlování v kamerových systémech, dále jsou popsány možnosti napájení výkonových LED diod a druhy zdrojů. V další části je popsán stávající osvětlovač se všemi nedostatky a návrh nového uspořádání řídicí elektroniky. Dále je provedena analýza možného uspořádání nového osvětlovače, jako je například výběr vhodní koncepce a je provedeno zhodnocení. Vlastní realizace a oživení je popsáno v závěrečné části zprávy. Key words: LED, current source, osvětlovač 4

Obsah Abstrakt... 3 Abstract... 4 Obsah... 5 Úvod... 6 1. Výkonové LED a jejich napájení... 8 1.1 Napájení LED... 8 1.2 Základní topologie spínaných zdrojů... 9 2. Návrh zdroje proudu pro LED osvětlovač... 11 2.1 Popis původního řešení osvětlovače... 11 2.2 Požadavky na novou elektroniku osvětlovače.... 11 2.3 Návrh zapojení spínaného zdroje... 11 2.4 Popis navrženého zapojení... 12 2.5 Návrh desky plošného spoje... 14 Seznam použité literatury... 15 5

Úvod Práce se zabývá návrhem zcela nové elektroniky osvětlovače pro použití v kamerových systémech. Mechanické provedení je identické se vzorem, osvětlovačem firmy Applic, ale zapojení řídicí elektroniky je odlišné, protože se jedná o nový vývoj, který se snažil odstranit nedostatky původního zařízení.. V kamerových systémech s průmyslovými inteligentními kamerami je ve většině případů potřeba kontrolovaný nebo měřený objekt vhodně nasvětlit. Využívají se různé zdroje světla, ale v poslední době se nejvíce uplatňuje technologie výkonových svítivých diod. Výhodou je vyšší účinnost, ve spektru není přítomná infračervená složka a světlo lze velmi rychle zapínat a vypínat. Nevýhodou je nutnost dobrého chlazení osvětlovače, protože příliš vysoká teplota přechodu LED má za následek nižší účinnost i zkrácení životnosti. Při návrhu osvětlovače je tedy nutno klást důraz na co nejlepší chlazení LED. Osvětlení v kamerových systémech lze v zásadě rozdělit na několik uspořádání: 1) Čelnípřímé osvětlení (frontlight) 2) Zadní osvětlení (backlight) 3) Darkfield a další. Znázornění jednotlivých uspořádání je na následujících obrázcích [1]. Obr. 1: Frontlight 6

Obr. 2: Backlight Obr. 3: Darkfield Práce se bude zabývat výhradně osvětlovači s LED. Dále popsaný osvětlovač má obdélníkový tvar a je tedy použitelný pro přední i zadní osvětlení. 7

3 1. Výkonové LED a jejich napájení Výkonové svítivé diody jsou dalším vývojovým stupněm svítivých diod. Jako u každé svítivé diody vzniká světlo na přechodu PN, přímo, nebo za použití luminoforu jako například u bílých LED. Běžně jsou dostupné diody s výkony v jednotkách wattů, i pole čipů o výkonech desítek wattů. Na rozdíl od například žárovky, kde se ve světlo promění velmi malá část vstupní energie a zbytek se vyzáří převážně jako teplo v IR oblasti, u LED se asi 1020% dodané energie promění přímo ve světlo a zbytek v teplo, které se ale nijak nevyzáří a je nutné ho odvést. Tento problém s odvodem tepla a nutností zachovat co nejnižší teplotu přechodu způsobuje, že životnost a účinnost diody závisí převážně na tom, jak dobře se ji podaří uchladit. V prostředí s vyšší okolní teplotou je chlazení obtížné a vyžaduje velké chladící plochy, případně aktivní chlazení. 1.1 Napájení LED LED je součástka s voltampérovou charakteristikou diody, takže je nelineární. Pro napájení není možní ji připojit přímo ke zdroji napětí, ale je nutno použít zdroj proudu. Vlevo idealizované zapojení, dále jednoduché zapojení s předřadným odpor a lineární zdroj proudu. If 1 Ustab LM317L I G O 2 If If R Ur Rsns Usns = 1.25V U U U U I LED Uf LED Uf LED Uf Obr. 4: Základní lineární zdroje pro LED Zapojení s ideálním zdrojem proudu je pouze teoretické, diodou protéká požadovaný propustný proud a je na ní úbytek o velikosti napětí v propustném směru. Zapojení se zdrojem napětí a předřadným odporem je v praxi běžně používané, proud diodou je omezen odporem R. Pokud je rozdíl mezi napětím zdroje a Uf velký, dochází ke značné výkonové ztrátě na odporu. Zapojení jen omezuje proud, pokud se změní napětí zdroje, změní se i proud dle Ohmova zákona. Pro výkonové LED se tento způsob nepoužívá, je vhodný jen pro indikační účely. Výhodou je jednoduchost. Poslední zapojení již využívá lineární zdroj proud s obvodem LM317 a je vhodné i pro větší výkony. Sériový odpor Rsns se zvolí tak, aby při požadovaném proudu LED na něm byl úbytek napětí 1,25V. Stabilizátor reguluje proud tak, aby na odporu bylo stále 8

toto napětí. Výkonová ztráta na odporu je konstantní a v porovnání se ztrátou na stabilizátoru je malá. Proud diodou je konstantní i při změně napětí zdroje, ale pokud je na stabilizátoru hodně velký úbytek napětí, je nutno ho dobře chladit. Toto zapojení s velkým chladičem bylo úspěšně použito při měření svítivosti LED. Proud diodou není zvlněný, zapojení je jednoduché a chlazení stabilizátoru nečinilo potíže. Účinnost je však špatná. Pokud je potřeba vyšší účinnosti, je nutno použít zdroj spínaný. V aplikaci proudového zdroje pro LED osvětlovače vzhledem k rozsahu napájecího napětí, rozměrům a požadované účinnosti ani jiné řešení nejde zvolit. Jeho výhodou je obecně vyšší účinnost v širokém rozsahu napájecích napětí. Nevýhodou je složitost a vlivem spínání dochází k vyzařování rušení. 1.2 Základní topologie spínaných zdrojů Jedná se o zapojení spínaných zdrojů s tlumivkou, kde není třeba galvanického oddělení mezi vstupem a výstupem. I2 + L D + Uvst I1 S C Uvyst Obr. 5: Stepup Jako první si popíšeme měnič zvyšující (Stepup). Je to zdroj, kde výstupní napětí je větší než vstupní. Řídicí obvod, který je nedílnou součástí spínaného zdroje spíná spínač S. Po sepnutí spínače S začne cívkou protékat proud I1 a v cívce se akumuluje napětí. Po rozepnutí se v cívce naindukuje napětí Uind, které se přičte k napětí vstupním Uvst. Součet těchto napětí nabíjí výstupní vyhlazovací kondenzátor C. Řízením doby sepnutí a rozepnutí spínače se reguluje výstupní napětí. I1 + S1 L + Uvst D I2 C Uvyst Obr. 6: Stepdown Měnič snižující (Stepdown), jak je z názvu zřejmé, má na výstupu menší napětí než na vstupu. Protože se ale energie akumuluje v cívce a nemaří jako v případě lineárního zdroje, má podstatně vyšší účinnost. Po sepnutí spínače S se výstupní kondenzátor C nabíjí proudem I1 a roste na něm napětí Uvýst. Po rozpojení S se indukčnost snaží udržet směr a velikost proudu, a 9

+ + akumulovaná energie se přes diodu mění na nabíjecí proud I2 do kondenzátoru C. Vhodnou regulací spínače dosáhneme požadovaného napětí na výstupu, které je vždy menší než na vstupu. Uv y st Uv y st + R1 + Uvst Uref FB R2 Uz Rz Uvst Uref FB Rz Iz Rsns << Rz Obr. 7: Zdroj napětí a proudu U obou typů zdrojů můžeme mít regulaci na konstantní napětí, kdy se zdroj chová jako napěťový, a regulaci proudovou, kdy zdroj udržuje konstantní proud zátěží. Většinou se tento proud měří jako úbytek napětí na snímacím odporu. 10

2. Návrh zdroje proudu pro LED osvětlovač 2.1 Popis původního řešení osvětlovače Zařízení využívá spínaný snižující měnič s obvodem MC34063 a dvojitým OZ LM358, který zesiluje úbytek napětí na snímacím odporu a dále zajišťuje funkci komparátoru pro spínání měniče přes optočlen. Spínací frekvence se pohybuje okolo ccc khz. Původně byl osvětlovač osazen dvěma LED diodami CREE XRE o rozměru 7x9mm v bílé nebo červené barvě. Sériově s LED byl zapojen polyswitch, který měl sloužit jako teplotní a proudová pojistka. Toto se ukázalo jako špatné řešení, celé zapojení bylo silně teplotně závislé a nestabilní, pravděpodobně byl polyswitch jednak poddimenzovaný, tak se příliš ohříval od svítivých diod. Jeho odstranění tento problém eliminovalo, elektronika ak ale přišla o ochranu proti přehřítí. Protože se tyto osvětlovače používaly v pulzním režimu, tato vlastnost nijak nevadila. V další vývojové verzi byly použity 4 LED CREE XPE, zapojení zůstalo shodné[2]. 2.2 Požadavky na novou elektroniku osvětlovače. Stejné rozměry desky s elektronikou 22x72mm. Napájení 24V Opticky oddělený vstup pro spínání v různých variantách: 3V,5V,24V Osazení 4 kusy LED XPE v bílé nebo červené barvě Ochrana proti přehřátí s indikací Možnost nastavení proudu LED 2.3 Návrh zapojení spínaného zdroje Byla zvolena koncepce snižujícího měniče, tvořeného specializovaným obvodem určeným přímo pro napájení LED, který by měl integrovaný spínací prvek. Jako vhodný kandidát se ukázal obvod od firmy Linear Technology LT3474 [3]. Má široký rozsah vstupního napětí až do 36V, integrovaný bipolární spínací tranzistor, nastavitelnou spínací frekvenci 2002000kHz a jednoduše nastavitelný proud do LED až 1A změnou napětí na jednom pinu. Snímací odpor 100mΩ je taktéž integrovaný. Nevýhodou je SMD pouzdro s 16 vývody o rozteči 0,65mm. Další vhodný obvod je od National Semiconductor, LM3404 [4]. Má integrovaný spínací tranzistor MOSFET, maximální proud LED je také 1A, nastavuje se hodnotou externího snímacího odporu. Spínací frekvence také až 2MHz. Navíc je zde integrovaný lineární stabilizátor s výstupním napětím 7V, ze kterého lze odebírat až 16mA. Vyrábí se v SMD pouzdru PSOP8, ale také v klasickém SO8. Nakonec byl zvolen LM3404 v SO8. Pouzdro má malý počet vývodů, což je vzhledem k plánované jednostranné DPS vhodnější. 11

2.5 Návrh desky plošného spoje Popsat volbu materálu, jednostrannost, možné lepší materiály, díry pod ledkama rozlitou měd. 14

Seznam použité literatury [1] LÉDL, Vít.: Zpracování obrazu, přednáška 3, TUL [2] Applic.: Interní dokumentace [3] Linear Technology [online]. 2004 [cit. 20110510]. Katalogový list LT3474. Dostupné z WWW: <http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ad620.pdf>. [4] National Semiconductor [online]. 2004 [cit. 20110510]. Katalogový list LM3403. Dostupné z WWW: <http://www.analog.com/static/importedfiles/data_sheets/ad620.pdf>. [5] >. Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření. Formát zpracování originálu: titulní list barevně, další listy včetně příloh černobíle. 15