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»Intelligente« Beleuchtung

Mikrocontroller steuert Licht

15. Dezember 2015, 9:37 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Implementieren einer Beleuchtungsanwendung

Die Familien enthalten ein Peripheral-Event-System (Bild 2), das per Software konfiguriert werden kann. Ein Peripheriegerät kann damit ein oder mehrere andere Peripheriegeräte ohne Beteiligung des Cortex-M0+-Core triggern.

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Zudem ist ein Echtzeitbetrieb ohne Latenz möglich, der nicht durch Interrupts gestört wird. Dadurch wird eine konkurrenzlose Funktionalität und Leistungsfähigkeit in Kombination mit den Timern erreicht, da universelle Ein-/Ausgänge oder der Komparator die Timer triggern, starten oder neu starten oder das Fehler-Schutzhandling des Timers ohne jede erkennbare Verzögerung aktivieren können.Ein leistungsfähiger analoger Komparator ist für Beleuchtungsanwendungen ebenfalls sehr wichtig (Bild 3).

Der untere Teil des Bildes zeigt eine mögliche Implementierung eines Aufwärtswandlers (Boost Converter). Der Strom durch die LED ergibt sich durch das PWM-Signal, das den Leistungs-MOSFET steuert. Der Strom wird über einen Strommesswiderstand am Source-Anschluss des MOSFET gemessen. Nach einer Filterung vergleicht ein Komparator dieses Messsignal mit dem vom D/A-Wandler eingestellten Wert, das dem LED-Nennstrom entspricht. Das Peripheral-Event-System leitet dieses Ergebnis direkt an den Timer weiter, der das PWM-Signal für den MOSFET erzeugt.

Implementieren einer Beleuchtungsanwendung

Eine typische Implementierung einer einfachen Beleuchtungsanwendung für einen einzelnen LED-Streifen auf Basis des Derivats »SAM D21L« zeigt Bild 4. Die Helligkeitseinstellung erhält der Mikrocontroller über eine Schnittstelle, also über DALI, ZigBee, ein Analogsignal oder einen anderen Ansatz. Dieses Signal nutzt der Baustein als Referenzsignal i_{LED_Ref} für den digitalen PI-Regler, der die Halbbrücke des LLC-Wandlers steuert. Den tatsächlichen Wert des Ausgangsstroms i_{LED Sense} durch die LEDs, der deren Helligkeit bestimmt, misst der Strommesswiderstand R_sense2, und dieser Wert wird über einen Opokoppler an den ADC und den analogen Komparator 1 an den Mikrocontroller zurückgeleitet. Der digitale PI-Regler vergleicht dieses Signal mit i_{LED_Ref}, außerdem vergleicht der Komparator I_{LED Sense} mit i_{LED Limit} und aktiviert eine entsprechende Aktion, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten, falls dieser Wert überschritten wird.
Auf der Basis der Eingangsspannung der PFC-Stufe (V_in) und der vom Anwender vorgegebenen Helligkeitseinstellung leitet der Mikrocontroller einen Referenzwert für den Ausgang der PFC-Stufe V_{o_PFC} ab. Um einen hohen Leistungsfaktor sicherzustellen, läuft diese Stufe im nicht-lückenden Betrieb (Critical Conduction Mode, CCM), was bedeutet, dass der MOSFET der PFC-Stufe für eine definierte Einschaltzeit (T_on) leitet. Die Ausschaltzeit definiert sich durch das gemessene ZCD-Signal (Zero Current Detection), das anzeigt, wann der Strom über die Diode Null ist. Direkt anschließend schaltet der MOSFET der PFC-Stufe erneut durch und startet so den nächsten Zyklus. Die Ausgangsspannung V_{o_PFC} wird genutzt, um den digitalen PI-Regler nachzustellen. Der ganze Algorithmus ist in den SAMD-Mikrocontroller implementiert.

Möchte man das System um eine Unterstützung für ZigBee erweitern, dann eignet sich statt des SAM D21L der »SAM R21«, denn er enthält ein ZigBee-Frontend. Ist eine zusätzliche Unterstützung von Wi-Fi erforderlich, dann ist der SAM D21L nur durch einen »SAM W25« zu ersetzen, denn er beinhaltet ein Wi-Fi-Controller-Frontend. Durch diese Modularität lassen sich die Anwendungen erweitern und die drahtlosen Standards unterstützen.