Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Mitronik
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Sterownik diod LED o wysokiej mocy do systemów widzenia maszynowego

ghost666 31 Lip 2018 22:04 2421 14
  • Systemy widzenia maszynowego wykorzystują silne impulsy światła do tworzenia superszybkich zdjęć wykorzystywanych w wielu systemach automatyki. Na przykład obserwacja przedmiotów na szybko poruszającym się podajniku taśmowym - dzięki krótkim impulsom światła możliwe jest ich obrazowanie i wykrywanie wadliwych obiektów. Typowo do generacji takich impulsów używa się diod elektroluminescencyjnych lub laserowych. Analogiczne krótkie impulsy światła laserowego wykorzystywane są np. w dalmierzach itp.

    Jednym z wyzwań podczas projektowania tego rodzaju systemu, jest generowanie krótkich impulsów (rzędu mikrosekund) prądu, dla diod LED. Impulsy takie wyzwalane są cyklicznie do kilkaset milisekund lub nawet kilka sekund. Generacja takich krótkich impulsów prądu oddzielonych długimi okresami, gdy prąd nie płynie, nie jest trywialne. Wynika to między innymi z faktu, iż prąd jaki płynie w tym czasie przez diodę, może wynieść nawet powyżej jednego ampera. Wiele typowych sterowników diod LED ze sterowaniem wypełnieniem impulsów (PWM) nie radzi sobie dobrze z impulsami kilka rzędów krótszymi niż przerwy pomiędzy nimi. Prowadzi to do zniekształcenia impulsu, a w konsekwencji do pogorszenia jakości obrazu.

    Dedykowane LEDowe flesze

    Na szczęście producenci układów scalonych wyszli naprzeciw temu problemowi. Dostępne są dedykowane układy, takie jak LT3932, produkowany przez firmę Analog Devices, które dedykowane są do pracy z diodami LED o prądzie do 2A i bardzo długimi czasami pomiędzy impulsami - nawet rzędu dni. Układ ten utrzymuje kondensator wyjściowy zasilacza w stanie ciągłego naładowania, nawet w długim czasie wyłączenia diody LED. Kontroluje on stan naładowania kondensatora cały czas, dzięki czemu kompensuje on upływność tego elementu, której konkurencyjne rozwiązania nie biorą pod uwagę.

    Sterowniki LT3932 można także łączyć równolegle ze sobą. Dzięki temu możliwe jest osiągnięcie większego prądu wyjściowego z układu - teoretycznie aż do 4 A. Połączone ze sobą układy synchronizują się, dzięki czemu spójność impulsów jest zachowana. Na rysunku 1 pokazano przykładowy schemat dwóch równolegle połączonych ze sobą sterowników LED, które kontrolują diodę o poborze prądu równym 3 A.

    Sterownik diod LED o wysokiej mocy do systemów widzenia maszynowego
    Rys.1. Dwa układy LT3932 połączone równolegle w celu impulsowego sterowania flesza LEDowego prądem do 3 A.


    Wymagania stawiane układom do sterowania diod LED w takiej aplikacji są o wiele większe niż parametry typowych sterowników PWM. Wynika to z faktu, że większość sterowników diod działać może z sygnałem PWM o częstotliwości co najmniej 100 Hz. Tego rodzaju układy wykorzystywane są często jako ściemniacze w oświetleniu LEDowym. Odrzucenie najniższych częstotliwości jest spowodowane tym, że są one dostrzegalne przez ludzkie oko jako mruganie diody.





    Częstotliwość 100 Hz odpowiada maksymalnemu, teoretycznemu czasowi wyłączenia równemu 10 ms. W takim czasie, jeśli driver zaprojektowany jest poprawnie, to kondensator traci pomijalnie mało swojego ładunku, dzięki czemu przy kolejnym załączeniu diody LED, przy kolejnym impulsie, sterownik może bezpiecznie założyć, iż znajduje się w takim samym stanie, w jakim był, gdy w poprzednim cyklu wyłączał diodę. Układ ten musi szybko odpowiadać na impulsy załączające diodę, minimalizując czas uruchomienia się drivera w każdym cyklu. Jeśli czas wyłączenia diody będzie większy niż 10 ms, to ryzykujemy, iż kondensator wyjściowy straci część swojego ładunku z uwagi na swoją niezerową upływność, a co za tym idzie - układ rozpocznie pracę w innym stanie niż powinien i czas uruchomienia się drivera będzie dłuższy. Spowoduje to, że czas odpowiedzi układu będzie rósł.

    Równoległe łączenie sterowników LED dla zwiększenia prądu

    Driver diody LED to, w uproszczeniu, źródło prądowe, które steruje prądem płynącym przez diodę. Z uwagi na to, że jak mówi prawo Kirchoffa, równolegle połączone źródła prądowe dodają się, to zrównoleglenie sterowników diod spowoduje wzrost maksymalnego prądu. Źródła nie muszą być w żaden sposób zabezpieczone przed odwrotnym połączeniem, przepływem prądu jednego sterownika przez drugi czy niedopasowaniem ich wejść, zupełnie odwrotnie niż źródła napięciowe, które w takim połączeniu radzą sobie bardzo źle ze współdzieleniem prądu.

    Sterownik diody LED utrzymuje swój prąd wyjściowy niezależnie od innych połączonych równolegle źródeł prądowych. Prąd sumuje się na diodzie LED. W ten oto sposób dwa połączone ze sobą układy LT3932, pokazane na rysunku 1 mogą z powodzeniem sterować diodą LED o prądzie 3 A. Na diodę podawane są krótkie impulsy o czasie trwania wynoszącym 10 µs, pomiędzy którymi występują długie pauzy. Każdy sterownik LT3932 musi dać zaledwie połowę całego prądu w czasie załączenia diody. W przerwie utrzymuje on niezmieniony stan wyjścia, ładując kondensator wyjściowy. Dzięki temu pauzy pomiędzy impulsami mogą być dowolnie długie i nie wpływa to na ich powtarzalność.

    Połączone ze sobą równolegle sterowniki są niemalże tak proste jak w przypadku pojedynczego układu, zwłaszcza w momencie, gdy dioda nie jest zapalona. Kontrolery mierzą (i zapamiętują) wartość napięcia na wyjściu na początku ostatniego impulsu i utrzymują kondensatory naładowane do tego właśnie poziomu - nawet gdy przerwa w świeceniu diody jest bardzo długa. Obciążenie - diody LED - podłączone są do sterowników poprzez tranzystor MOSFET sterowany przez kontrolery. Odłączają one diody w momencie, gdy nie mają być zapalone. Układ jest cały czas gotowy do kolejnego 'strzału' z w pełni naładowanymi kondensatorami - cały obecny upływ ładunku kompensowany jest doładowywaniem przez sterownik.

    W momencie, gdy przyjdzie następny impuls PWM do sterowników, otwierają tranzystory MOSFET, łącząc obciążenie z naładowanymi kondensatorami. Kondensatory rozładowują się przez diody, a te świecą do momentu, aż skończy się impuls PWM. Wtedy MOSFET jest wyłączany, kondensator ładowany do napięcia, przy jakim był na początku impulsu i cały cykl się powtarza. Impulsy są jednorodne i powtarzalne, niezależnie od tego czy pomiędzy nimi upłynęło 10 ms czy cały dzień.

    Na rysunku 2a i 2b pokazano działanie sterownika diod LED opartego na dwóch równolegle połączonych driverach LT3932. Układ ten steruje czterema diodami LED o prądzie 3 A z 10 mikrosekundowymi impulsami. Impuls na diodach jest taki sam - ostry, wyraźny i powtarzalny - niezależnie, czy pomiędzy impulsami minęło 10 ms (a) czy 1 s (b). To sprawia, że układ taki idealnie nadaje się do zastosowania w systemie widzenia maszynowego.

    Sterownik diod LED o wysokiej mocy do systemów widzenia maszynowego
    Rys.2. Sterownik flesza LED z zrównoleglonymi kontrolerami LT3932 - oscylogramy sygnałów w układzie dla impulsu o długości 10 mikrosekund po (a) 10 ms pauzy oraz (b) 1 s pauzy pomiędzy impulsami.


    Możliwe są jeszcze wyższe prądy

    Równoległe łączenie sterowników LED nie musi się jednakże ograniczać do dwóch układów. Połączyć ze sobą można trzy czy nawet więcej takie układy, zwiększając w ten sposób prąd wyjściowy z układu przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości przebiegu na diodach LED.

    Jako że taki układ nie ma wyróżnionego żadnego głównego kontrolera, każdy z połączonych układów pracuje tak samo i prąd dzieli się równo na wszystkich układach. Rekomenduje się synchronizację wszystkich połączonych ze sobą kontrolerów z pomocą sygnału zegarowego. Dzięki temu wszystkie układy pozostawać będą w tej samej fazie, przez co wszelkie zakłócenia pojawiające się na kondensatorze wyjściowym, wynikające z impulsowego charakteru ładowania go, także będą w fazie. To pozwoli w momencie otwarcia tranzystorów MOSFET na wyjściach sterowników, uniknąć sytuacji, w której prąd popłynie nie przez obciążenie, a przez któryś z kontrolerów.

    Istotne jest, aby sterujący systemem sygnał PWM także był w fazie z zegarem 2 MHz, który synchronizuje ze sobą kontrolery. Zapewni to, że przebiegi na diodach LED będą możliwie prostokątne i pozbawione szumu fazowego. Dzięki temu uzyskany zostanie najlepszej jakości obraz w systemie widzenia maszynowego.

    Moduł demonstracyjny dla LT3932 (dostępny jako DC2286A) jest zaprojektowany do sterowania prądem 1 A płynącym przez jedną lub dwie diody LED. Układ ten działa jak przetwornica step-down. Z łatwością można go jednak zmodyfikować lub połączyć równolegle z drugim takim samym modułem, co obrazuje schemat na rysunku 1. Możliwe są także inne modyfikacje, mające zwiększyć prąd, napięcie czy umożliwić równoległe łączenie takich sterowników.

    Na rysunku 4 zaprezentowano dwa połączone ze sobą moduły, które generują 10 mikrosekundowe impulsy wyzwalające 4 diody LED. Prąd diod wynosi trzy ampery. Układ ten zasilany jest napięciem 24 V. Jak pokazano, do celów testowania układ taktowany może być z generatora, zsynchronizowanego z zegarem układów. W wersji produkcyjnej, za generację sygnałów PWM, wyzwalających flesz odpowiedzialny jest specjalny moduł systemu widzenia maszynowego.

    Sterownik diod LED o wysokiej mocy do systemów widzenia maszynowego
    Rys.3. Przykładowa aplikacja systemu widzenia maszynowego na podajniku taśmowym. Systemy inspekcji pracować mogą z różną prędkością, jednakże impulsy oświetlenia muszą zawsze być szybkie i ostre.


    Sterownik diod LED o wysokiej mocy do systemów widzenia maszynowego
    Rys.4. Dwie płytki demonstracyjne DC2286A z układami LT3922 połączone ze sobą równolegle, w celu stworzenia zasilacza diody LED o prądzie wyjściowym od 3 A do 4 A. Schemat tego układu widoczny jest na rysunku 1


    Podsumowanie

    Systemy widzenia maszynowego wykorzystywać mogą połączone równolegle sterowniki diod, aby uzyskiwać prostokątne przebiegi o dużym prądzie, do sterowania LEDowymi fleszami. Przykładem takiego sterownika jest LT3932 firmy Analog Devices, który zapewnia powtarzalne impulsy prostokątne do zasilania diody LED, niezależnie od tego, jak długi czas dzieli je od siebie.

    Źródło: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/led-driver-for-high-power-machine-vision-flash.html


    Fajne! Ranking DIY
  • Mitronik
  • #2 01 Sie 2018 17:14
    Janusz_kk
    Poziom 16  

    Straszna komplikacja prostego układu, wiem że do każdego zastosowania można zrobić specjalny scalak ale to co tutaj opisane to przerost formy, wystarczy tutaj najprostrze kluczowane zródło prądowe z tranzystorem odpowiedniej mocy, dla tak małego współczynnika wypełnienia nawet radiatory nie bedą potrzebne, koszt groszowy a prądy mozna uzyskać spore.

  • Mitronik
  • #3 02 Sie 2018 10:50
    Jawi_P
    Poziom 33  

    Ale tu chodzi o stromość zbocza.
    Ja to się zastanawiam, dlaczego nie oświetlać obiektu ciągle.
    Dla kilku W oszczędności?
    W amatorskich zastosowaniach w ogóle sterowanie diodami wydaje się takie proste, jak widać jest wiele niespodzianek i wymogów np. przy liniach produkcyjnych, o których nie zdajemy sobie sprawy. Ciekawy jest nie sterownik, tylko zastosowanie i wymogi tego przypadku.

  • #4 02 Sie 2018 11:07
    piotrd76
    Specjalista Automatyk

    Jawi_P napisał:
    Ja to się zastanawiam, dlaczego nie oświetlać obiektu ciągle.
    Dla kilku W oszczędności?

    W takich systemach oświetlenie działa bardziej jak lampa błyskowa, żeby utrzymać w sposób ciągły żądany poziom oświetlenia zaczęły by się problemy z trwałością LED czy innych źródeł światła, z ich chłodzeniem itd.

  • #5 02 Sie 2018 11:36
    ghost666
    Tłumacz Redaktor

    Dokładnie - LED nie wytrzymałby termicznie ciągłej pracy

  • #6 02 Sie 2018 13:15
    Jawi_P
    Poziom 33  

    piotrd76 napisał:
    W takich systemach oświetlenie działa bardziej jak lampa błyskowa, żeby utrzymać w sposób ciągły żądany poziom oświetlenia zaczęły by się problemy z trwałością LED czy innych źródeł światła, z ich chłodzeniem itd.

    ghost666 napisał:
    Dokładnie - LED nie wytrzymałby termicznie ciągłej pracy

    Ja się z tym zgadzam i wiem dlaczego stosowane jest takie rozwiązanie.
    Tylko, tu jest przykład, sterownik też to potwierdza swoja wydajnością prądową, że mamy do czynienia z kilku Watami mocy na diodach. I to z zastosowaniem dwóch serowników. Takie moce wydzielają ciepło spokojnie możliwe do odprowadzenia i to w ciężkich warunkach.
    Ja nie podważam rozwiązania, bo ten układ opracowali nie ludzie z przypadku, ale zaskoczyło mnie takie rozwiązanie dla tego konkretnego przypadku.
    Tak samo zaskoczony jestem filtrem pojemnościowym na zasilaniu sterowników.
    3 x pojemność i każda 1/10 wartości. Sądziłem, że takie rozwiązania to bardziej wszędzie tam, gdzie chcemy stłumić przenikanie co większych f czy oczekujemy "dynamiki", a tu zastosowane w sterowniku diod.
    Po prostu zaskoczyło mnie to.

    Ok, pomyślałem ;)
    W sumie to tak, jeżeli chcemy zastosować diody małej mocy, a wiemy, że struktura diod uszkadza się od temperatury złącza, (pomijam uszkodzenia "napięciowe"), zależy nam na rozmiarach, hmm... To w zasadzie nie ma innego rozwiązania jak sobie synchronicznie do kamery błyskać światłem.

  • #7 02 Sie 2018 16:22
    Janusz_kk
    Poziom 16  

    Jawi_P napisał:
    Ale tu chodzi o stromość zbocza.

    Popatrz na oscylogram, zbocze narasta ~1us, czy to tak mało? wg mnie nie tyle jesteś bez trudu w stanie uzyskać prawie dowolnym driverem
    N-MOS-a, więc nadal uważam że ten scalak to sztuka dla sztuki.

  • #8 03 Sie 2018 08:26
    ramrusazer
    Poziom 12  

    Janusz_kk napisał:
    Jawi_P napisał:
    Ale tu chodzi o stromość zbocza.

    Popatrz na oscylogram, zbocze narasta ~1us, czy to tak mało? wg mnie nie tyle jesteś bez trudu w stanie uzyskać prawie dowolnym driverem
    N-MOS-a, więc nadal uważam że ten scalak to sztuka dla sztuki.


    Zaprojektuj powtarzalny sterownik bez przerostów... na dowolnym driverze N-MOS, sprzedaj patent Analogowi....
    Widocznie mają kiepskich inżynierów skoro jeden tranzystor + dowolny driver rozwiązuje sprawę.

  • #9 03 Sie 2018 11:38
    Janusz_kk
    Poziom 16  

    ramrusazer napisał:
    Zaprojektuj powtarzalny sterownik bez przerostów

    Ale po co? Projektant podświetlacza sam sobie skalkuluje co się mu opłaca bardziej, czy specjalizowany scalak za X$ czy parę elementów za ułamek $.

  • #10 04 Sie 2018 13:36
    3204552
    Użytkownik usunął konto  
  • #11 11 Sie 2018 20:51
    anilion
    Poziom 14  

    Jawi_P napisał:
    Ja to się zastanawiam, dlaczego nie oświetlać obiektu ciągle.
    Dla kilku W oszczędności?

    To działa jak stroboskop, przydatne przy szybkim ruchu detali, osiągamy powtażalność kadru.

  • #12 11 Sie 2018 21:01
    pawelradomsko
    Specjalista Automatyk

    Witam!
    A czy ktoś wie gdzie można kupić moduły oparte na tych sterownikach - tak dla eksperymentów?

  • #13 13 Sie 2018 14:28
    ramrusazer
    Poziom 12  

    pawelradomsko napisał:
    Witam!
    A czy ktoś wie gdzie można kupić moduły oparte na tych sterownikach - tak dla eksperymentów?


    Mouser, DigiKey

    A i pewnie da się zamówić sample przez polskiego dystrybutora.

    Sam swojego czasu zamawiałem zestawy EVAL na AD7790 przez farnell + scalaki AD7790 z sporym rabatem.

  • #14 14 Sie 2018 14:14
    tplewa
    Poziom 38  

    pawelradomsko napisał:
    Witam!
    A czy ktoś wie gdzie można kupić moduły oparte na tych sterownikach - tak dla eksperymentów?


    Jest evaluation kit DC2286A - nie wiem jak cenowo, normalnie płytki eval z Lineara (obecnie Analog Devices) do firmy dostajemy za free od inżyniera aplikacyjnego.

  • #15 14 Sie 2018 20:36
    pawelradomsko
    Specjalista Automatyk

    Dzięki!
    Faktycznie trzeba odezwać się do AD bo szukam czegoś już gotowego i chyba jeszcze jest za wcześnie. Pozostają na razie eval-e.