מעגלי נהגי LED לרכב - ניתוח תכנון

במכוניות או מכוניות, נוריות הלד הפכו להיות הבחירה המועדפת על התאורה. בין אם זה פנסי הזנב האחוריים או האינדיקטורים המספרים באשכול כפי שצוין באיור 1 להלן, כולם משלבים נוריות LED בימינו. הממדים הקומפקטיים שלהם מסייעים לרב-גוניות בעיצוב ומציעים לעתיד להיות עמיד כמו תוחלת החיים של הרכב עצמו.

איור 1

מצד שני, למרות שנוריות LED הן מכשירים יעילים ביותר, הן חשופות להידרדרות מפרמטרים לא מתח, זרם וטמפרטורה לא מוסדרים, במיוחד במערכת האקולוגית הקשה של הרכב.

כדי להיות מסוגל לשפר את היעילות והתמיד של אור LED, תכנון מעגל LED לנהג דורש ניתוח זהיר.

מעגלים אלקטרוניים המופעלים כנהגי LED משתמשים ביסודם בטרנזיסטורים. טופולוגיית מעגלים סטנדרטית אחת המשמשת לעתים קרובות במנהלי LED היא במקרה הטופולוגיה הליניארית, בה הטרנזיסטור מתוכנן לעבוד בתוך האזור הליניארי.

טופולוגיה זו נותנת לנו אפשרות ליצור מעגלי נהג דרך טרנזיסטורים בלבד או באמצעות מכשירי IC מיוחדים עם טרנזיסטורים מובנים ותכונות נוספות לשיפור LED.

ביישומים נפרדים, טרנזיסטורי צומת דו קוטביים (BJT), שהם מוצרי סחורות נגישים ביותר, נוטים להיות המועדפים.

למרות העובדה ש- BJT פשוטים לתצורה מנקודת מבט, ניתן למצוא סיבוכים גדולים בעת יצירת פתרון כולל של מנהל התקן LED הממלא את דיוק השליטה הנוכחי, ממד ה- PCB, ניהול חום ואבחון תקלות, שהם כמה תנאים ראשונים חשובים לאורך כל הדרך. כל מתח האספקה ​​וטווח הטמפרטורות העובדים.

יתר על כן, כמו כמות הנוריות גדלה , תכנון מעגלים באמצעות שלבי BJT נפרדים מתוחכם עוד יותר.

בהשוואה לחלקים בדידים, חלים חלופות מבוססות IC נראה כי הם נוחים יותר ביחס לפריסת המעגל, אך בנוסף לנהלי התכנון וההערכה.

חוץ מזה, התרופה הכללית עשויה להיות משתלמת עוד יותר.

פרמטרים לעיצוב נהגי LED לרכב

לכן, בעת תכנון מעגלי דרייבר לד תאורת רכב יישום, חשוב לבחון מוקדי LED, להעריך חלופות לתכנון מעגלים, וגורמים בדרישות המערכת.

נורית LED היא למעשה דיודת צומת מסוג N מסוג PN (PN) המאפשרת לזרם לנוע דרכה רק בכיוון אחד. הזרם מתחיל לזרום ברגע שהמתח על פני ה- LED מגיע למתח הקדימה המינימלי (VF).

רמת התאורה או הבהירות של נורית LED נקבעת על ידי הזרם הקדמי (IF) ואילו כמה זרם נורית LED צורכת תלוי במתח המופעל על פני ה- LED.

למרות שבהירות ה- LED והזרם הקדמי IF קשורים ליניארית, אפילו עלייה קלה במתח הקדימה VF על פני ה- LED יכולה לגרום להסלמה מהירה בצריכת הזרם של ה- LED.

לנורות LED עם מפרט צבע שונה יש מפרט VF ו- IF שונים בשל מרכיבי המוליכים למחצה הספציפיים שלהם (איור 2). יש לקחת בחשבון את המפרט של גליון הנתונים של כל לד, במיוחד בעת החלת נוריות צבע שונות בתוך מעגל יחיד.

איור מס '2

למשל, כאשר מתפתחים עם תאורה אדומה-ירוקה-כחולה (RGB) , נורית LED עשויה להגיע עם דירוג מתח קדימה של כ -2 וולט, ואילו זהה עבור נוריות כחול וירוק יכול להיות סביב 3 עד 4 וולט.

בהתחשב בכך שאתה מפעיל נוריות LED אלה מאספקת מתח משותפת אחת, ייתכן שתצטרך מחושב היטב נגד מגביל זרם לכל אחת מנורות ה- LED הצבעוניות, כדי למנוע הידרדרות LED.

יעילות תרמית והספק

מלבד מתח האספקה ​​והפרמטרים הנוכחיים, גם הטמפרטורה ויעילות ההספק דורשים ניתוח מדוקדק. למרות שרוב הזרם המופעל על גבי נורית LED מומר לאור LED, כמות קטנה של כוח הופכת לחום בתוך צומת ה- PN של המכשיר.

הטמפרטורה שנוצרת על פני צומת LED עשויה להיות מושפעת ברצינות מכמה פרמטרים חיצוניים כגון:

• לפי הטמפרטורה האטמוספרית (TA),
• על ידי ההתנגדות התרמית בין צומת LED לאוויר הסביבה (RθJA),
• ועל ידי פיזור הכוח (PD).

המשוואה הבאה 1 חושפת את מפרט פיזור הכוח PD של נורית LED:

PD = VF × IF ------------ שווה מספר 1

בעזרת האמור לעיל נוכל להפיק עוד את המשוואה הבאה המחשבת את טמפרטורת הצומת (TJ) של נורית LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- שווה מס '2

חיוני לקבוע את ה- TJ לא רק בתנאי עבודה רגילים, אלא גם בטמפרטורת TA מקסימלית מוחלטת של התכנון, ביחס לחששות במקרה הגרוע ביותר.

ככל שטמפרטורת צומת ה- LED TJ עולה, יעילות העבודה שלה מתדרדרת. טמפרטורת ה- IF הנוכחית הקדמית של נורית הנורה וטמפרטורת הצומת TJ חייבות להישאר מתחת לדירוג המקסימלי המוחלט שלהם, כפי שמסווגות על ידי גליונות הנתונים, כדי להגן מפני הרס (איור 3).

איור 3

מלבד נוריות ה- LED, עליכם לקחת בחשבון גם את יעילות ההספק של הנגדים ואלמנטים המניעים כמו BJT ומגברים תפעוליים (מגברי אופ), במיוחד ככל שכמות הרכיבים הנפרדים עולה.

יעילות צריכת חשמל לא מספקת של שלבי הנהג, תקופת ה- LED בזמן ו / או טמפרטורת הסביבה כל הגורמים הללו עשויים להוביל לעליית הטמפרטורה של המכשיר, ולהשפיע על התפוקה הנוכחית של מנהל ההתקן BJT ולהפחתת ירידת ה- VF של נוריות ה- LED. .

כאשר עליית הטמפרטורה מפחיתה את ירידת המתח קדימה של נוריות הנוריות, קצב צריכת הזרם של הנורית עולה ומוביל לפיזור הכוח והטמפרטורה המוגברים באופן יחסי, וזה גורם להפחתה נוספת בירידת מתח קדימה של נורית ה- VF.

מחזור זה של עלייה מתמדת בטמפרטורה, המכונה גם 'בורח תרמי', מאלץ את נוריות הנורה לפעול מעל לטמפרטורת ההפעלה האופטימלית שלהם, מה שגורם להידרדרות מהירה, ובשלב מסוים כשל של המכשיר, בגלל רמה מוגברת של צריכת IF .

דרייברים לד לינאריים

הפעלת נוריות LED באופן ליניארי דרך טרנזיסטורים או ICs היא למעשה די נוחה. מבין כל האפשרויות, הגישה הפשוטה ביותר לשליטה על נורית היא בדרך כלל לחבר אותה דרך מקור מתח האספקה ​​(VS).

בעל הנגד הנכון להגבלת הזרם מגביל את משיכת הזרם של המכשיר ומתקן ירידת מתח מדויקת עבור ה- LED. ניתן להשתמש במשוואה 3 הבאה לצורך אימון ערך הנגד הסדרה (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- שווה מס '3

בהתייחס לאיור מס '4 אנו רואים כי 3 נוריות משמשות בסדרה, יש לקחת בחשבון את כל ירידת המתח VF על פני 3 נוריות החישוב על ידי חישוב ה- VF (IF הנוכחי של ה- LED נשאר קבוע.)

איור מס '4

למרות שזו יכולה להיות תצורת מנהל התקן LED הפשוטה ביותר, היא עשויה להיות די לא מעשית ביישום של החיים האמיתיים.

ספקי כוח, במיוחד סוללות רכב, רגישים לתנודות מתח.

עלייה מינורית בכניסת האספקה ​​מפעילה את ה- LED למשוך כמויות זרם גבוהות יותר וכתוצאה מכך להיהרס.

יתר על כן, פיזור כוח מופרז PD בנגד מעלה את טמפרטורת המכשיר, מה שעשוי להוליד בורח תרמי.

מנהלי התקן לד זרם קבוע בדידים ליישום רכב

כאשר משתמשים בתכונת זרם קבוע, היא מבטיחה פריסה משופרת חסכונית בחשמל ואמינה. מכיוון שהטכניקה הנפוצה ביותר להפעלת נורית LED היא באמצעות הפעלה וכיבוי, טרנזיסטור מאפשר אספקת זרם מוסדרת היטב.

איור מס '5

בהתייחס לאיור 5 לעיל, יתכן שניתן יהיה לבחור ב- BJT או MOSFET, בהתבסס על מפרט המתח והזרם של תצורת ה- LED. טרנזיסטורים מטפלים בקלות בהספק גדול יותר בהשוואה לנגד, אך הם רגישים למגמת מתח וירידות ושינויים בטמפרטורה. לדוגמא, כאשר המתח סביב BJT עולה, הזרם שלו גם עולה באופן יחסי.

כדי להבטיח יציבות נוספת, ניתן להתאים אישית את מעגלי BJT או MOSFET אלה כדי לספק זרם קבוע למרות שיש חוסר איזון במתח האספקה.

תכנון מקור זרם LED

איורים 6 עד 8 מדגימים קומץ איורים של מעגלי מקור זרם.

באיור 6, דיודת זנר מייצרת מתח יציאה יציב לבסיס הטרנזיסטור.

הנגד המגביל את הזרם RZ מבטיח זרם מבוקר כדי לאפשר לדיודת זנר לעבוד כראוי.

תפוקת דיודת הזנר מייצרת מתח קבוע למרות תנודות במתח האספקה.

ירידת המתח מעל נגן הפולט RE אמורה להשלים את ירידת המתח של דיודת זנר, ולכן הטרנזיסטור מכוון את זרם הקולט מה שמבטיח שהזרם דרך נוריות הנוריות תמיד יישאר קבוע.

באמצעות משוב מגבר אופ

באיור 7 להלן מוצג מעגל מגבר אופ עם לולאת משוב ליצירת מעגל בקר LED אידיאלי. חיבור המשוב מבטיח כי הפלט יותאם אוטומטית על מנת שהפוטנציאל המתפתח בכניסה השלילית שלו יישאר שווה לקלט הייחוס החיובי שלו.

דיודה של זנר מהודקת כדי ליצור מתח התייחסות בכניסה הלא-הפוכה של מגבר ה- op. במקרה שזרם ה- LED חורג מערך קבוע מראש, הוא מפתח כמות מתח פרופורציונאלית על פני הנגד החישה RS, המנסה לעלות על ערך הייחוס של הזנר.

מכיוון שהדבר גורם למתח בכניסה ההפוכה השלילית של מגבר ה- OP לחרוג מערך הזנר החיובי החיובי, מכריח את יציאת המגבר ה- OP לכבות, אשר מצמצם את זרם ה- LED וגם את המתח על פני RS.

מצב זה מחזיר את תפוקת המגבר על מנת להפעיל את מצב ההפעלה ומפעיל את ה- LED, ופעולה זו של התאמה עצמית של מגבר ה- OP ממשיכה לאין ערוך כי זרם ה- LED לעולם לא יעלה על הרמה הלא בטוחה המחושבת.

איור 8 לעיל ממחיש עיצוב נוסף מבוסס משוב שהושג באמצעות כמה BJT. כאן, הזרם זורם באמצעות R1, מפעיל טרנזיסטור Q1. הזרם ממשיך לנסוע דרך R2, שמתקן את כמות הזרם הנכונה דרך נוריות הנוריות.

במקרה שזרם LED זה דרך R2 מנסה לחרוג מהערך הקבוע מראש, ירידת המתח על פני R2 עולה גם באופן פרופורציונלי. ברגע שנפילת המתח הזו עולה עד מתח הבסיס לפולט (Vbe) של הטרנזיסטור Q2, Q2 מתחיל להדליק.

כאשר מופעל Q2 עכשיו מתחיל לצייר זרם דרך R1, מכריח את Q1 להתחיל לכבות והתנאי ממשיך להתאים את הזרם באופן עצמאי דרך ה- LED ומבטיח שזרם ה- LED לעולם לא יעלה על הרמה הלא בטוחה ..

זֶה מגביל זרם טרנזיסטורי עם לולאת משוב מבטיחה אספקת זרם קבועה לנוריות לפי הערך המחושב של R2. בדוגמה שלעיל מיושמים BJTs אך עם זאת ניתן גם להשתמש ב- MOSFET במעגל זה, ליישומים בעלי זרם גבוה יותר.

נהגי LED זרם קבוע המשתמשים במעגלים משולבים

ניתן לשכפל את אבני הבניין החיוניות המבוססות על טרנזיסטור אלה להפעלת מספר מיתרי LED, כפי שמוצג באיור 9.

שליטה בקבוצה של מיתרי לד גורם במהירות לעלות את ספירת הרכיבים, תופסת שטח PCB גבוה יותר וצורכת מספר רב יותר של סיכות קלט / פלט לשימוש כללי (GPIO).

יתר על כן, עיצובים כאלה הם בעצם ללא בקרת בהירות ושיקולי אבחון תקלות, שהם צרכים חיוניים עבור מרבית יישומי ה- LED החשמליים.

כדי לכלול את המפרט כמו בקרת בהירות ואבחון תקלות נדרש מספר נוסף של רכיבים נפרדים ונהלי ניתוח תכנון נוסף.

עיצובים לד הכוללים מספר גבוה יותר של נוריות , גורם לעיצוב מעגלים בדידים לכלול מספר חלקים גבוה יותר, מה שמגדיל את מורכבות המעגל.

על מנת לייעל את תהליך העיצוב, זה נחשב ליעיל ביותר ליישום מכשירי IC מיוחדים לתפקד כנהגי LED . רבים מהרכיבים הנפרדים כפי שמצוין באיור 9 יכולים להיות קלים יותר באמצעות מנהל התקן LED מבוסס IC, כפי שנחשף באיור 10.

איור מס '10

IC- התקני נהג LED תוכננו במיוחד להתמודדות עם מפרט קריטי, זרם וטמפרטורה קריטיים של נוריות LED, וגם למזעור ספירת החלקים וממדי הלוח.

יתר על כן, מכשירי IC לנהג LED עשויים לכלול תכונות נוספות לבקרת בהירות ואבחון, כולל הגנה על טמפרטורה. עם זאת, יתכן ויהיה אפשרי להשיג את התכונות המתקדמות שלעיל תוך שימוש בעיצובים מבוססי BJT נפרדים, אך נראה כי מכשירי IC הם חלופה קלה יותר בהשוואה.

אתגרים ביישומי LED לרכב

ביישומי LED רבים ברכב, בקרת הבהירות הופכת להיות הכרח חיוני.

מכיוון שכוונון הזרם הקדמי באמצעות הנורית מכוון את רמת הבהירות באופן פרופורציונלי, ניתן להשתמש בעיצובים אנלוגיים להשגת התוצאות. שיטה דיגיטלית לבקרת בהירות LED היא באמצעות אפנון PWM או אפנון רוחב הדופק. הפרטים הבאים מנתחים את שני המושגים ומראים כיצד ניתן ליישם אותם ליישומי LED לרכב

ההבדל בין בקרת בהירות LED אנלוגית ו- PWM

איור 11 מעריך את ההבדל העיקרי בין שיטות אנלוגיות ודיגיטליות לשליטה על בהירות LED.

איור מס '11

באמצעות בקרת בהירות LED אנלוגית, תאורת ה- LED משתנה באמצעות גודל הזרם הזורם גדול יותר וגורם לבהירות מוגברת ולהיפך.

עם זאת, האיכות של עמעום אנלוגי או בקרת בהירות אינה מספקת, במיוחד בטווחי בהירות נמוכים יותר. עמעום אנלוגי בדרך כלל אינו מתאים ליישומי LED תלויי צבע, כמו תאורת RGB או מחווני מצב מכיוון שמשנה IF נוטה להשפיע על תפוקת הצבע של ה- LED, מה שגורם לרזולוציית צבע ירודה מנורות ה- RGB.

בניגוד, דימומי LED מבוססי PWM אל תשתנה את זרם ה- LED קדימה אם, אלא שולט בעוצמה על ידי שינוי קצב ההפעלה / כיבוי של נוריות הנורות. ואז, זרם ה- LED הממוצע של ON מחליט על בהירות הפרופורציות על ה- LED. זה נקרא גם מחזור החובה (היחס בין רוחב הדופק על פני מרווח הדופק של ה- PWM). באמצעות PWM, מחזור חובה גבוה יותר מביא לזרם ממוצע גבוה יותר באמצעות ה- LED הגורם לבהירות גבוהה יותר ולהיפך.

בשל העובדה שאתה מסוגל לכוונן את מחזור החובה לטווחי תאורה שונים, עמעום PWM עוזר להשיג יחס עמעום רחב בהרבה בהשוואה לעמעום אנלוגי.

למרות ש- PWM מבטיחה תפוקת בקרת בהירות משופרת, היא מחייבת ניתוח עיצובי רב יותר. תדר ה- PWM צריך להיות הרבה יותר גבוה ממה שהראייה שלנו יכולה לתפוס, אחרת הנורות עלולות להופיע בסופו של דבר כאילו הן מהבהבות. יתר על כן, מעגלי דימר של PWM ידועים לשמצה ביצירת הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

הפרעה ממנהלי LED

מעגל נהג LED לרכב שנבנה עם בקרת EMI לא מספקת עלול להשפיע לרעה על תוכנות אלקטרוניות שכנות אחרות, כגון יצירת רעשי זמזום ברדיו או בציוד שמע רגיש דומה.

ICs של מנהלי התקני LED בהחלט יכולים לספק לך תכונות עמעום אנלוגיות ו- PWM יחד עם פונקציות משלימות להתמודדות עם EMI, כגון קצב המתנה לתכנות, או מעבר שלב של ערוץ פלט או עיכוב קבוצתי.

אבחון LED ודיווח על תקלות

אבחון LED הכולל חימום יתר, קצר חשמלי או מעגל פתוח הם תנאי עיצוב פופולרי, במיוחד כאשר היישום דורש הפעלת LED מרובה. כדי למזער את הסיכון לתקלת LED, מנהלי התקני LED מציגים זרם יציאה מוסדר בדיוק רב יותר ממשטחי הנהג הדיסקטריים המבוססים על טרנזיסטור.

בנוסף לכך, נהגי IC משלבים בנוסף הגנה על טמפרטורת יתר על מנת להבטיח תוחלת חיים תפעולית גבוהה יותר של נוריות ה- LED ומעגל הנהג עצמו.

מנהלי התקני LED המיועדים לרכב חייבים להיות מצוידים לאיתור שגיאות, למשל LED פתוח או קצר. כמה יישומים עשויים גם לחייב אמצעי מעקב כדי להתמודד עם תקלה שזוהתה.

כדוגמה, מודול תאורה אחורית לרכב כולל מספר מיתרי נורות לד כדי להאיר פנסי זנב ואורות בלמים. במקרה שמתגלה תקלה בנורת LED באחד ממיתרי ה- LED, על המעגל להיות מסוגל לכבות את כל מערך הנורות, על מנת להבטיח שניתן יהיה למנוע נזק נוסף לנורות הנותרות הנותרות.

הפעולה גם תזהיר את המשתמש בנוגע למודול ה- LED המושפל הלא סטנדרטי שיש להסיר אותו ולשלוח אותו לתחזוקה ליצרן.

מודולי בקרת גוף (BCM)

כדי להיות מסוגל לספק התראת אבחון למשתמש ברכב, מתג אינטליגנטי לצד גבוה מודול בקרת גוף (BCM) רושמת תקלה באמצעות אלמנט התאורה האחורית, כפי שמודגם באיור 12 לעיל.

עם זאת, זיהוי של תקלת LED באמצעות ה- BCM עלול להיות מסובך. לפעמים אתה יכול להשתמש באותו עיצוב לוח BCM כדי לזהות מעגלים מבוססי נורות ליבון רגילים או מערכת מבוססת LED מכיוון שזרם LED נוטה להיות קטן משמעותית לעומת צריכת נורות ליבון, המבדיל בין עומס LED הגיוני.

סיכום

עלול להיות קשה לזהות עומס פתוח או מנותק אם אבחון החישה הנוכחי אינו מתוכנן במדויק. במקום שיהיה מחרוזת LED פתוחה בודדת, כיבוי המחרוזת שלם של מיתרי ה- LED הופך לזיהוי קל יותר עבור ה- BCM לדיווח על מצב עומס פתוח. תנאי שמבטיח שאם כיבוי אחד של נורית LED ניתן לבצע את הקריטריון של כשל כל נורית כדי לכבות את כל נוריות LED על גילוי תקלה אחת של LED. מנהלי התקני LED ליניאריים לרכב כוללים את התכונה המאפשרת תגובה חד-כשל-כל-כישלון ויכולים לזהות אוטובוס שגיאות נפוץ בכל תצורות IC שונות.