»Es werde Licht«
Effiziente LED-Ansteuerung mit 8-Bit-MCU von Fujitsu Semiconductor
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
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Bei Verwendung von Mikrocontrollern zur Steuerung der Schaltung kommt häufig eine Pulsweitenmodulation (PWM) zum Einsatz, um die gewünschte Ausgangsspannung einzustellen. Hierbei erfolgt die Spannungsrückführung mittels des ADCs der MCU, welche auf Basis der Soll- und Istwerte den Tastgrad der PWM erhöht oder verringert. Die sich hierbei ergebende Bandbreite der Regelung ist von einer Vielzahl von Faktoren abhängig, wie etwa der Abtastrate, Auslegung der Regel-Software, etc. Zudem belegt die Regelung MCU-Ressourcen, und für eine präzise Regelung sind schnelle Timer und ADCs nötig.
Für viele Anwendungen kommt daher ein anderes Verfahren zum Einsatz, die Hyterese- oder Zweipunkt-Regelung. Hierbei wird der aktuelle Spannungs- oder Stromwert mit einer Referenzspannung verglichen, und das Ergebnis dieses Vergleichs dient direkt als Ansteuersignal des Transistors des Reglers. Erfolgt der Vergleich mittels eines analogen Komparators, läuft der Regelvorgang »von selbst«. Die Schaltfrequenz ergibt sich hierbei aus den Werten von Induktivität, Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers, Laufzeiten des Komparators und der eingestellten Hysterese, und kann somit auch im Betrieb variieren. Da nach dem Einschalten des Reglers der Transistor so lange leitet bis der Stromsollwert erreicht ist, ist die Antwortzeit des Reglers bis zum Erreichen des Sollwerts minimal. Durch Überwachung von Eingangsspannung, Frequenz und Tastgrad des Komparatorsignals lassen sich viele Fehlerzustände wie etwa offene Klemmen, Kurzschluss etc. mit minimalem Aufwand detektieren.
Neben einer Vielzahl weiterer Peripherien bietet die MB95430-Serie aus der 8FX MCU-Familie von Fujitsu vier unabhängige analoge Komparatoren, die zum Aufbau eines Zweipunktreglers, etwa zur LED-Ansteuerung verwendet werden können. Alle Ein-und Ausgänge der Komparatoren sind extern zugänglich, wobei die Verbindung zwischen Pin und Komparator geschaltet werden kann. Ist der Komparatorausgang aktiviert, stellt sich wie oben beschrieben ohne weitere MCU-Interaktion und somit ohne MCU-Last der gewünschten Ausgangswert von Strom oder Spannung ein. Dies lässt sich sehr einfach zum Dimmen der LEDs mittels überlagerter PWM nutzen, indem einfach der Komparatorausgang mittels PWM ein- und ausgeschaltet wird. Somit wird die LED in den aktiven PWM-Phasen stets mit dem eingestellten Strom betrieben, wodurch betriebsstromabhängige Farbveränderungen vermieden werden. Weiterhin ist auf den MB95430 MCUs ein Operationsverstärker mit programmierbarem Gain vorhanden, dessen Pins bei Bedarf ebenfalls extern zugänglich sind.
Die 8FX-Familie besteht aus vielseitig verwendbaren low-cost 8-bit MCUs von acht bis aktuell 80 Pins, die auch von den Technologien der 16- und 32-bittigen Verwandschaft profitieren: Der robuste Dual-Operation Flash-Speicher mit einem Datenerhalt von bis zu 20 Jahren, Ausleseschutz und bis zu 100.000 Schreib- und Löschzyklen macht ein externes EEPROM oft überflüssig, während Clock Supervisor, Low Voltage Detection und Watchdog für mehr Sicherheit sorgen. Weiterhin sind getrimmte RC-Oszillatoren (+/- 2 Prozent), verschiedenste Timer, getrennte Main- und Subclock, Single-Wire Debug Schnittstelle, Energie sparende Low-Power-Modes, 10-bit ADCs und vieles mehr mit an Board.
Je nach Derivat kommen noch spezielle Peripherie-Einheiten wie LCD Controller oder PWM-Timer für die Ansteuerung von bürstenlosen Gleichstrommotoren (BLDC) hinzu, wodurch externe Komponenten reduziert und der MCU-Kern entlastet werden. Alle 8FX MCUs lassen sich über die Debug-Schnittstelle im System programmieren, viele größere Derivate auch in einem externen, parallelen Programmierer. Alternativ bietet Fujitsu Semiconductor einen Programmierservice an.
Der Einstieg in der 8FX-Familie ist denkbar einfach und kostengünstig: Der BGM-Adapter zum Anschluss an die Debug-Schnittstelle der MCU liegt vielen Starterkits bereits bei (z.B. MB2146-420-01-E), ebenso wie die unbeschränkte Vollversion der Softune Workbench Entwicklungsumgebung mit C-Compiler, Assembler, Linker, Debugger etc.. Ein großes Angebot an Application Notes, Software-Beispielen und der lokale Support durch Applikationsingenieure runden das Paket ab und erlauben einen schnellen Entwicklungsstart.
Für die MB95430 MCU-Serie bietet Fujitsu das SK-95430-32PMC-LED an, welches neben einer MB95F434 MCU mit je einer roten, grünen und blauen 1W-LED bestückt ist. Jede der LEDs wird unabhängig von einem seperaten Schaltregler versorgt. Als Verbindung zu Aussenwelt stehen neben einem USB-Anschluss (on-board USB-auf-Seriell-Adapter) ein RS485-Treiber zur Verfügung, über den beispielsweise das im Beleuchtungsumfeld populäre DMX512-Protokoll verwendet werden kann. Die Versorgung des Starter Kits erfolgt entweder mit verminderter LED-Leistung über USB, oder eine externe Spannungsquelle (5VDC).Verschiedene Parameter lassen sich über Klartext-Kommandos, etwa mit Hilfe eines Terminal-Programms verändert, oder mittels einer graphischen PC-Anwendung. Dieses kommuniziert ebenfalls per USB / UART mit dem Starterkit, und der Anwender kann durch die GUI leicht den Referenzstrom für jede LED, Master Level, und die Helligkeit (duty cycle) der einzelnen LEDs steuern. Weiterhin kann aus einer Farbpalette direkt eine Farbe gewählt werden kann, die dann von den LEDs auf dem Starterkit dargestellt wird.
Manuel Schreiner ist Junior Application Engineer in der Business Unit Embedded von Fujitsu Semiconductor, Christian Harders arbeitet als Application Engineer in der Business Unit Embedded.
- Effiziente LED-Ansteuerung mit 8-Bit-MCU von Fujitsu Semiconductor
- Regler geschaltet, Regler erkaltet
- Schnell geschaltet
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