Programmierbare Logik spart Strom
CPLD fürs Licht
Marktforscher prognostizieren für LEDs ein signifikantes Wachstum, hauptsächlich in den Anwendungsbereichen Allgemeinbeleuchtung, Beschilderung und Display-beleuchtung. Zu den Vorteilen zählen die um 85% höhere Effizienz im Vergleich zu Glühlampen und der etwa 35% bessere Wirkungsgrad im Vergleich zu Leuchtstofflampen. Mit modernen CPLDs lässt sich auch die LED-Ansteuerung effizient auslegen.
Ein ergonomisches Design eines Displays erfordert, dass es auch im hellsten Umgebungslicht noch sichtbar ist. Das bedeutet normalerweise, dass LED-Segmente mit 25 mA und LED-basierende LCD-Backlights mit 100 mA arbeiten. Ein typisches Segment liegt an einer 3,3-V-Versorgungsspannung und zieht über die Lastbegrenzungswiderstände mindestens 80 mW.
Die tatsächliche Leistungsaufnahme liegt aber wesentlich höher, da die 3,3 V typischerweise von einem Linearregler aus einer 12-V-Spannungsversorgung heraus erzeugt werden, sodass sich insgesamt 500 mW ergeben. Ein typisches Uhrendisplay mit 24 Segmenten und einer Einschaltdauer von 63,25% benötigt 4,5 W. Es ist möglich, die Leistungsaufnahme über den Tag gerechnet um bis zu 47% zu senken, wenn sich die Helligkeit des Displays dem Umgebungslicht im Zimmer anpasst.
Außerdem lässt sich während des maximalen Leistungsverbrauchs am Abend dieser um bis zu 94% senken. Dazu sind nur zwei Dinge notwendig: eine einfache Möglichkeit, um die Lichtstärke zu messen, und ein Weg, um die LED-Helligkeit effizient zu modulieren. Die Lichtstärke einer LED zu messen ist relativ einfach. Dafür eignet sich entweder ein nicht benutztes Segment oder der Dezimalpunkt auf dem Display. Außerdem kann die Abtastgeschwindigkeit sehr langsam sein, um die Komplexität gering zu halten.
Ein Kipposzillator lässt sich mit einer LED mit umgekehrter Vorspannung und einem Kondensator realisieren.
Die Schwingungsfrequenz ist dann proportional zur Lichtstärke. Die Lichtstärke einer LED lässt sich mit einer Pulsweitenmodulation (PWM) einfach regeln.
Eine PWM pulst die LED mit typischerweise 240 Hz, also schneller als das Auge es noch sehen kann. Eine helle LED wird erreicht, wenn jeder Puls eine Einschaltdauer von 99% hat.
Die LED wird abgedunkelt, wenn jeder Puls eine Einschaltdauer von 1% hat.
Hier ist anzumerken, dass eine PWM Verlustleistung einsparen kann, da die LED entweder ein- oder ausgeschaltet ist.
Lineare Dimmer hingegen leiten stets einen Strom, der an einem Widerstand abfällt, wodurch Energie »verbraten« wird.
Lichtstärke messen
Nachdem die meisten Displays mithilfe eines ASSPs oder eines ASICs angesteuert werden, ist es sehr schwierig, bestehende Bausteine mit der oben dargestellten Energiesparschaltung auszustatten.
Es ist aber relativ einfach möglich, bestehende Designs und neue Designs mit einem CPLD nachzurüsten.
Moderne CPLDs haben genügend I/Os, um jedes LED-Segment mit einem PWM-Signal zu versorgen.
Einige CPLDs wie beispielsweise die »MAX II«-Bausteine von Altera sind mit einem internen Oszillator ausgestattet, der die Pulsweitenmodulation und die Frequenzzähler treiben kann, die der Lichtsensor benötigt (siehe Bild 1).
Die Schaltung in Bild 2 misst die Lichtstärke, indem sie an die LED eine Vorspannung anlegt, sodass die Kathode auf logisch »1« steht.
Die Anode ist mit dem Kipposzillator verbunden, wobei die Anode mit logisch »0« anfängt. Die LED zieht die Anode proportional zu der Lichtstärke hoch, die auf die LED trifft. Die umgekehrt vorgespannte LED fungiert wie eine Solarzelle, bei der der Ausgangsstrom proportional zur Lichtstärke ist.
Sobald das langsam ansteigende Anodensignal den Schwellwert des Eingangspuffers erreicht, wird der D-Eingang des Registers 0, der Registerausgang schaltet auf 0 um und bringt das Anodensignal wieder auf 0. Damit wird der D-Eingang eine logische 1 und setzt den Eingangs-Buffer beim nächsten Taktzyklus in den Tri-State, sodass das Anodensignal wieder ansteigen kann.
Die Frequenz am PINOSC ist proportional zur Lichtstärke, wobei die typische Frequenz von hellem Licht bei ungefähr 2000 Hz liegt. Das PINOSC-Signal kann einen Frequenzzähler antreiben, um die Lichtstärke zu bestimmen.
- CPLD fürs Licht
- Die PWM implementieren
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