RGB-LED-Arrays
Kostengünstige LED-Beleuchtungen entwerfen
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Umlagerung der Helligkeits- und Farbsteuerung auf Hardware
Diese Arbeitsschritte lassen sich deutlich vereinfachen, und zwar mit Hilfe der Steuereinheit BCCU für Helligkeit und Farben (Brightness and Colour Control Unit), die in die Mikrocontroller XMC1200 und XMC1300 von Infineon bereits integriert ist. Die periphere Einheit benötigt für seine Steueraufgaben nur sehr wenig User Code, zumal drei Dimmer und neun Ausgangskanäle alle erforderlichen Ressourcen bereit stellen, die zum Steuern der Dimm-Pegel und der Farben der Multichannel-LED-Lampen vonnöten sind. Bild 1 zeigt beispielhaft jene Dimmsteuereinheit, die für die Steuerung eines RGB-LED-Array genutzt wird. Die BCCU steuert dabei den Dimm-Pegel mit Hilfe von Pulse-Density-Modulation (PDM). Sie kann wahlweise die PDM-Dimmsignale an den integrierten Schaltkreis eines LED-Treibers – z.B. BCR420/BCR421 – übertragen oder die LEDs in treiberlosen Architekturen über die Capture-Compare-Einheiten CCU4 und CCU8 des Mikrocontrollers ansteuern.
Die Dimmfunktionen steuern, in welchem Umfang das Dimmsignal von seinem aktuellen zum neuen Pegel verändert wird. Dimm-Pegel im Bereich von 0 bis 100 % sind dabei realisierbar. Dem kann sich auch das menschliche Auge mühelos anpassen, und die Änderung wird als fließend und natürlich wahrgenommen. Die Dimmsteuerung beinhaltet außerdem eine Dither-Funktion, welche die wahrnehmbaren Stufen der Dimmkurve bei geringer Intensität glättet.
Jeder Ausgangskanal der BCCU enthält einen 12-bit-Sigma-Delta-Wandler, der die von der Dimmsteuerung generierten Signale in PDM-Signale umwandelt, sowie eine integrierte lineare Farbsteuerungsfunktion oder ein Linear-Walker-Modul (Bild 2). Der Wandler hat eine regelbare Bitrate, die anwendungsbedingt optimiert werden kann, um sowohl sichtbares als auch unsichtbares Flackern zu reduzieren oder zu beseitigen. Außerdem ist eine Flacker-Überwachungseinheit integriert, mit der – auch bei sehr geringen Helligkeitsstufen – fließende Dimmverläufe gewährleistet werden.
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Das an jedem Ausgangskanal vorgesehene Linear-Walker-Modul sorgt für gleichmäßige Farbübergänge. Da zur Generierung der jeweils nächsten Farbe die Intensität jeder einzelnen LED geregelt wird, gewährleistet diese Funktion, dass die Betriebsströme der roten, grünen und blauen LEDs gleichzeitig ihre Zielwerte erreichen. Dies verhindert das Entstehen unerwünschter Übergangsfarben und -effekte. Aufgrund der linearen Umsetzung wird ein direkter Übergang im orthogonalen Farbraum gewährleistet (Bild 3).
Zur Steuerung von LED-Hochleistungstreibern ist jeder BCCU-Kanal außerdem mit einer Komprimierungsfunktion ausgestattet, damit der Controller die Mindestvoraussetzungen für die Hold-Zeit der DIM/Aktivierungs-Eingänge des Treibers erfüllt. Hochleistungstreiber können verhältnismäßig langsame DIM/Aktivierungs-Eingänge enthalten, die ein stabiles Signal mit längerer Mindestdauer benötigen. Dies schränkt die maximal zulässige Frequenz ein, sofern PWM-Dimmer verwendet werden. Die BCCU indes verwendet PDM-Dimmer mit hohen Bitraten, die dazu beitragen, Flackereffekte zu beseitigen. Zudem gewährleisten sie größere Präzision sowie ein fließendes Dimmen. In einigen Fällen kann eine hohe Bitrate dazu führen, dass das Dimmsignal den für den Treiber erforderlichen Mindestwert der Hold-Zeit nicht erreicht. Um dies zu vermeiden, wird mit Hilfe der Komprimierungsfunktion die ursprüngliche Dimm-Wellenform der BCCU neu strukturiert. Dabei werden On-Bits und Off-Bits zusammen gruppiert, um die Mindest-On-Zeit und -Off-Zeit des Treibers zu erreichen – siehe Bild 4. Der gewünschte Dimm-Pegel wird so aufrecht erhalten, da die Komprimierung die relative Anzahl der On- und Off-Bits nicht verändert.
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