Sterownik RGB

Fakt nagłego rozwoju diod LED jako źródeł światła przeoczyli nawet w pewien sposób producenci z branży półprzewodnikowej, oferując dopiero od niedawna specjalizowane układy zasilania źródeł światła opartych o technologię LED, gdyż okazuje się, iż rosnące moce jak i charakterystyki tych ostatnich wymuszają stosowanie coraz to nowocześniejszych, wydajnych układów zasilania jak również chłodzenia. Dziś, już nie trudno wyobrazić sobie przyszłość należącą wyłącznie do półprzewodnikowych źródeł światła i jest to ze wszech miar pożądane biorąc pod uwagę tak względy ekologiczne jak i permanentne niedofinansowanie sieci przesyłowych energetyki zawodowej w świetle wzrostu zapotrzebowania na energię na przestrzeni ostatnich lat. Wszak stosowanie energooszczędnych technologii po stronie odbiorców poza ogólnoświatowa tendencją ma jakże oczywiste uzasadnienie ekonomiczne. Wszystko to nie byłoby jednak możliwe gdyby nie wspomniany wcześniej postęp, który dokonał się w optoelektronice, a którego małym acz znaczącym krokiem było wyprodukowanie niebieskiej diody LED. Mając przecież do wyboru wysokowydajne diody LED w trzech kolorach podstawowych, możemy w wyniku ich addytywnego mieszania uzyskać każdy, inny kolor wynikowy sterując jedynie jasnością każdego z elementów składowych. Stąd już krótka droga do wszelkiego rodzaju oświetlenia architektonicznego, oświetlenia roboczego, do budowy wielkich ekranów, reklam i tym podobnych. Najprostszą i najbardziej wydajną metodą regulacji jasności jest znana każdemu modulacja PWM.

Właśnie tego typu układ prezentuje poniższy artykuł opisujący urządzenie przeznaczone do sterowania pracą grup (modułów) diod Power LED, posiadający kilka dodatkowych a zarazem unikalnych cech użytkowych.

Już na pierwszy rzut oka widać prostotę rozwiązań układowych jak i fakt niewielkiego wykorzystania zasobów sprzętowych w jakie firma Atmel wyposażyła mikrokontroler ATmega8. Jasne jest, że tego typu sterownik można wykonać wykorzystując znakomitą część mikrokontrolerów, jednak wybór tego konkretnego nie był przypadkowy. Jak pokazuje praktyka, mikrokontroler ATmega8 mimo, iż najmniejszy z rodziny AVR, to dysponuje jednocześnie wymaganą dla założeń projektowych liczbą portów I/O, kanałów sprzętowego generatora PWM jak i przetwornikiem ADC. Jest przy tym bardzo popularny i tani. Można oczywiście zdać się na programową generację przebiegu PWM, jednak wykorzystanie sprzętowego generatora PWM jest znacznie wygodniejsze.

Zgodnie z tym o czym wspomniano na wstępie, regulacja jasności świecenia diod Power LED wykonywana jest z wykorzystaniem PWM. Do tego celu wykorzystano wbudowane w mikrokontroler ATmega8 dwa uniwersalne układy czasowo-licznikowe dysponujące tego rodzaju funkcjonalnością tj. 16-bitowy Timer1 (2 kanały PWM) oraz 8-bitowy Timer2 (1 kanał PWM). Dla poprawnego skonfigurowania układów wymagane jest wpisanie odpowiednich wartości do rejestrów konfiguracyjnych TCCR1A/TCCR1B dla Timer1 oraz TCCR2 dla Timer2. Regulację wypełnienia przebiegu generowanego przez te układy uzyskuje się przez wpisanie odpowiednich wartości do rejestrów OC1A, OC1B i OC2. Częstotliwość generowanego przebiegu ustawiono na ok. 245 Hz (CS12:0=011b, CS22:0=100b), zaś rozdzielczość regulacji wypełnienia przebiegu PWM na 8 bitów (dotyczy wyłącznie układu czasowo-licznikowego Timer1). Generowane przebiegi, dostępne na wyprowadzeniach mikrokontrolera oznaczonych jako OC1A, OC1B i OC2, bezpośrednio sterują bramkami tranzystorów mocy MOSFET z kanałem typu N typu BUZ11. Takie rozwiązanie umożliwia minimalizację strat mocy na elemencie wykonawczym oraz pracę z wieloma elementami typu LED w różnych konfiguracjach. Należy podkreślić, iż poniższy sterownik został zaprojektowany wyłącznie do sterowania pracą diod Power LED o prądzie zasilania ok. 150 mA i mocy strat 500 mW. Zasilanie Power LED-ów o większych mocach (3 W i wyższe) nie jest możliwe z uwagi na brak stabilizacji prądowej w układzie zasilania, a co za tym idzie możliwość uszkodzenia diody świecącej na skutek niekontrolowanego wzrostu prądu, który może być spowodowany chociażby jej podwyższoną temperaturą.

Sterownik posiada możliwość pracy w wielu trybach programowych. Do zmiany trybów służy przycisk MODE, zaś do przeprowadzenia wszelkich regulacji - enkoder ze zintegrowanym przyciskiem. Funkcje enkodera jak i zintegrowanego w nim przycisku są zależne od bieżącego trybu pracy sterownika.

Wszystkie parametry regulacyjne, łącznie z aktywnym trybem pracy urządzenia, można zapisać w nieulotnej pamięci EEPROM mikrokontrolera tak, aby po załączeniu zasilania sterownik powrócił do ostatnio załączonego trybu pracy. Fakt zapamiętania nastaw sygnalizowany jest dwukrotnym mignięciem diody LED bieżącego trybu pracy. Sterownik ma możliwość płynnej regulacji koloru świecenia modułu LED za pomocą zewnętrznego napięcia stałego doprowadzonego do złącza VReg (zakres 0…5 V). Dzięki tej właściwości istnieje możliwość zespolonej regulacji wielu tego rodzaju sterowników za pomocą jednego elementu regulacyjnego jakim może być np.: potencjometr. Wspomniana, płynna zmiana kolorów jest dokonywana zgodnie z modelem RGB w następującej kolejności: →→→→→→→ w 192 krokach dla trybu nr 1 oraz w 1536 krokach dla trybu nr 2. Ograniczenie liczby pośrednich kroków regulacyjnych wynika z potrzeby zapewnienia odpowiedniej ergonomii obsługi urządzenia. Zapobiega się w ten sposób konieczności wielokrotnego przekręcenia osi enkodera dla przejścia przez cały zakres zmiany kolorów. Dla uzyskania zadowalającego efektu mieszania się kolorów poszczególnych diod LED modułu, należy je umieścić możliwie blisko siebie przymocowane do małego radiatora (np.: na planie trójkąta). Można również zastosować element optyczny rozpraszający światło. W zależności od liczby modułów, napięcia zasilania diod LED, układu ich połączeń jak i prądu obciążenia poszczególnych elementów LED, może się okazać konieczne zastosowanie radiatorów dla każdego z modułów LED jak i dla tranzystorów mocy BUZ11.