دوائر قيادة السيارات LED - تحليل التصميم

في السيارات أو السيارات ، نمت مصابيح LED لتصبح الخيار المفضل للإضاءة. سواء كانت المصابيح الخلفية أو المؤشرات المنذرة في المجموعة كما هو موضح في الشكل 1 أدناه ، فإن جميعها تشتمل على مصابيح LED في الوقت الحاضر. تساعد أبعادها المدمجة على تعدد الاستخدامات في التصميم وتوفر احتمالية أن تكون متينة مثل العمر المتوقع للسيارة نفسها.

شكل 1

من ناحية أخرى ، على الرغم من أن مصابيح LED هي أجهزة عالية الكفاءة ، إلا أنها عرضة للتدهور من عوامل الجهد والتيار ودرجة الحرارة غير المنظمة ، لا سيما في النظام البيئي القاسي للسيارات.

لتكون قادرًا على تحسين كفاءة ضوء LED ودوامه ، تصميم دائرة سائق LED يتطلب تحليلاً حذرًا.

الدوائر الإلكترونية التي يتم تطبيقها كمحركات LED تستفيد بشكل أساسي من الترانزستورات. تصادف أن طوبولوجيا الدائرة القياسية المستخدمة بشكل متكرر في برامج تشغيل LED هي الهيكل الخطي ، حيث تم تصميم الترانزستور للعمل داخل المنطقة الخطية.

يمنحنا هذا الهيكل خيار صنع دوائر السائق من خلال الترانزستورات فقط أو استخدام الدوائر المتكاملة المتخصصة مع الترانزستورات المدمجة وميزات تحسين LED الإضافية.

في التطبيقات المنفصلة ، تميل ترانزستورات الوصلات ثنائية القطب (BJTs) ، وهي منتجات سلعية يسهل الوصول إليها بشكل كبير ، إلى أن تكون المفضلة.

على الرغم من حقيقة أن BJTs سهلة التكوين من وجهة نظر الدائرة ، يمكن العثور على تعقيدات كبيرة أثناء إنشاء حل سائق LED شامل يحقق دقة التحكم الحالية ، وأبعاد PCB ، وإدارة الحرارة وتشخيص الأعطال ، وهي بعض المتطلبات الأساسية الهامة في جميع أنحاء الجهد الكامل لإمداد العمل ونطاق درجة الحرارة.

علاوة على ذلك ، مثل زيادة كمية المصابيح ، يصبح تصميم الدوائر باستخدام مراحل BJT المنفصلة أكثر تعقيدًا.

مقارنة بالأجزاء المنفصلة البدائل القائمة على IC يبدو أنه أكثر ملاءمة فيما يتعلق بتخطيط الدائرة ، ولكن بالإضافة إلى إجراءات التصميم والتقييم.

إلى جانب ذلك ، قد يكون العلاج العام أكثر تكلفة.

معلمات لتصميم برامج تشغيل LED للسيارات

لذلك ، عند تصميم دوائر تشغيل LED لملف إضاءة السيارات التطبيق ، من الضروري التفكير في نقاط الاتصال LED وتقييم بدائل تصميم الدوائر والعوامل في متطلبات النظام.

LED هو في الواقع صمام ثنائي تقاطع من النوع N (PN) يسمح للتيار بالتحرك خلاله في اتجاه واحد فقط. يبدأ التيار في التدفق بمجرد أن يصل الجهد عبر الصمام إلى الحد الأدنى من الجهد الأمامي (VF).

يتم تحديد مستوى الإضاءة أو سطوع LED بواسطة التيار الأمامي (IF) بينما يعتمد مقدار التيار الذي يستهلكه LED على الجهد المطبق عبر LED.

على الرغم من أن سطوع LED والتيار الأمامي IF مرتبطان خطيًا ، إلا أن الزيادة الطفيفة في الجهد الأمامي VF عبر مؤشر LED يمكن أن تؤدي إلى تصعيد سريع في المدخول الحالي من LED.

تتميز مصابيح LED بمواصفات ألوان مختلفة بمواصفات VF و IF مختلفة نظرًا لمكونات أشباه الموصلات الخاصة بها (الشكل 2). من الضروري مراعاة مواصفات ورقة بيانات كل LED ، على وجه التحديد أثناء تطبيق مصابيح LED ملونة مختلفة داخل دائرة واحدة.

الشكل 2

على سبيل المثال ، عند التطوير باستخدام إضاءة الأحمر والأخضر والأزرق (RGB) ، قد يأتي مؤشر LED الأحمر مع معدل جهد أمامي يبلغ حوالي 2 فولت ، بينما يمكن أن يكون نفس الشيء بالنسبة لمصابيح LED باللونين الأزرق والأخضر حوالي 3 إلى 4 فولت.

بالنظر إلى أنك تقوم بتشغيل مصابيح LED هذه من مصدر جهد مشترك واحد ، فقد تحتاج إلى حساب جيد المقاوم الحالي لكل من مصابيح LED الملونة ، لتجنب تدهور LED.

الكفاءة الحرارية والطاقة

بصرف النظر عن جهد العرض والمعلمات الحالية ، تتطلب درجة الحرارة وكفاءة الطاقة أيضًا تحليلًا دقيقًا. على الرغم من أن معظم التيار المطبق عبر LED يتم تحويله إلى ضوء LED ، يتم تحويل كمية صغيرة من الطاقة إلى حرارة داخل تقاطع PN بالجهاز.

يمكن أن تتأثر درجة الحرارة المتولدة عبر تقاطع LED بشكل خطير ببعض المعلمات الخارجية مثل:

• بواسطة درجة حرارة الغلاف الجوي (TA) ،
• بواسطة المقاومة الحرارية بين تقاطع LED والهواء المحيط (RθJA) ،
• وبواسطة تبديد الطاقة (PD).

تكشف المعادلة 1 التالية عن PD مواصفات تبديد الطاقة لمصباح LED:

PD = VF × IF ------------ Eq # 1

بمساعدة ما سبق ، يمكننا اشتقاق المعادلة التالية التي تحسب درجة حرارة الوصلة (TJ) لمصباح LED:

TJ = TA + RθJA × PD ---------- المعادل # 2

من الضروري تحديد TJ ليس فقط في ظل ظروف العمل العادية ، ولكن أيضًا في ظل درجة حرارة محيطة قصوى مطلقة TA للتصميم ، فيما يتعلق بمخاوف السيناريو الأسوأ.

مع زيادة درجة حرارة تقاطع LED TJ ، تتدهور كفاءة عملها. يجب أن يظل IF الحالي للأمام ودرجة حرارة الوصلة TJ أقل من التصنيفات القصوى المطلقة ، وفقًا لتصنيف أوراق البيانات ، وذلك للحماية من التدمير (الشكل 3).

الشكل رقم 3

إلى جانب مصابيح LED ، يجب أن تأخذ في الاعتبار أيضًا كفاءة الطاقة للمقاومات وعناصر القيادة مثل BJTs ومكبرات التشغيل (op amps) ، على وجه التحديد مع زيادة كمية المكونات المنفصلة.

قد تؤدي كفاءة الطاقة غير الكافية لمراحل السائق ، و / أو مؤشر LED في الوقت المحدد و / أو درجة الحرارة المحيطة ، إلى ارتفاع درجة حرارة الجهاز ، والتأثير على خرج سائق BJT الحالي ، وتقليل انخفاض VF لمصابيح LED .

نظرًا لأن الارتفاع في درجة الحرارة يقلل من انخفاض الجهد الأمامي لمصابيح LED ، يرتفع معدل استهلاك LED الحالي مما يؤدي إلى زيادة تبديد الطاقة بشكل متناسب ودرجة الحرارة ، وهذا يؤدي إلى مزيد من الانخفاض في انخفاض الجهد الأمامي للـ VF.

هذه الدورة من الارتفاع المستمر في درجة الحرارة ، والتي يشار إليها أيضًا باسم 'الهروب الحراري' ، تجبر مصابيح LED على العمل فوق درجة حرارة التشغيل المثلى ، مما يتسبب في تدهور سريع ، وفي بعض نقاط فشل الجهاز ، بسبب زيادة مستوى استهلاك IF .

مشغلات LED الخطية

يعد تشغيل LEDs خطيًا من خلال الترانزستورات أو الدوائر المتكاملة أمرًا مريحًا للغاية. من بين جميع الاحتمالات ، فإن أبسط طريقة للتحكم في LED هي عادةً توصيله مباشرة عبر مصدر جهد الإمداد (VS).

إن وجود المقاوم الصحيح المحدد للتيار يقيد السحب الحالي للجهاز ويصلح انخفاض الجهد الدقيق لمصباح LED. يمكن استخدام المعادلة 3 التالية لحساب قيمة المقاوم التسلسلي (RS):

RS = VS - VF / IF ---------- مكافئ # 3

بالإشارة إلى الشكل رقم 4 ، نرى أنه يتم استخدام 3 مصابيح LED في سلسلة ، يجب أن يؤخذ في الاعتبار انخفاض الجهد الكامل VF عبر 3 مصابيح LED من خلال حساب VF (يظل مؤشر IF الحالي للأمام ثابتًا.)

الشكل رقم 4

على الرغم من أن هذا يمكن أن يكون أبسط تكوين لبرنامج تشغيل LED ، إلا أنه قد يكون غير عملي تمامًا في التنفيذ الواقعي.

إمدادات الطاقة ، وخاصة بطاريات السيارات ، عرضة لتقلبات الجهد.

تؤدي الزيادة الطفيفة في مدخلات العرض إلى قيام LED بسحب كميات أكبر من التيار وبالتالي يتم تدميرها.

علاوة على ذلك ، يؤدي التبديد المفرط للطاقة PD في المقاوم إلى زيادة درجة حرارة الجهاز ، مما قد يؤدي إلى الانفلات الحراري.

محركات LED المنفصلة ذات التيار الثابت لتطبيقات السيارات

عند استخدام ميزة تيار مستمر ، فإنها تضمن تصميمًا موثوقًا وموفرًا للطاقة محسنًا. نظرًا لأن التقنية الأكثر شيوعًا لتشغيل LED هي من خلال التبديل بين التشغيل والإيقاف ، فإن الترانزستور يسمح بإمداد تيار منظم جيدًا.

الشكل رقم 5

بالإشارة إلى الشكل 5 أعلاه ، قد يكون من الممكن الذهاب إلى BJT أو MOSFET ، بناءً على مواصفات الجهد والتيار لتكوين LED. تتعامل الترانزستورات بسهولة مع طاقة أكبر مقارنةً بالمقاوم ، ومع ذلك فهي عرضة لارتفاع الجهد وهبوطه وتغيرات درجة الحرارة. على سبيل المثال ، عندما يرتفع الجهد حول BJT ، يزداد تياره أيضًا بشكل متناسب.

لضمان ثبات إضافي ، من الممكن تخصيص دوائر BJT أو MOSFET لتوصيل تيار مستمر على الرغم من وجود اختلالات في جهد الإمداد.

تصميم مصدر LED الحالي

توضح الأشكال من 6 إلى 8 عددًا قليلاً من الرسوم التوضيحية لدائرة المصدر الحالي.

في الشكل 6 ، يولد الصمام الثنائي Zener جهد خرج ثابتًا في قاعدة الترانزستور.

يضمن المقاوم المحدد للتيار RZ تيارًا متحكمًا به لتمكين الصمام الثنائي Zener من العمل بشكل صحيح.

ينتج خرج Zener diode جهدًا ثابتًا على الرغم من التقلبات في جهد الإمداد.

يجب أن يكمل انخفاض الجهد على المقاوم الباعث RE انخفاض الجهد في الصمام الثنائي Zener ، وبالتالي يضبط الترانزستور تيار المجمع الذي يضمن بقاء التيار عبر مصابيح LED دائمًا ثابتًا.

استخدام ملاحظات Op Amp

في الشكل 7 أدناه ، تظهر دائرة op amp مع حلقة تغذية مرتدة لصنع دائرة تحكم LED مثالية للسيارات. يضمن اتصال التغذية الراجعة أن يتم ضبط المخرجات تلقائيًا بحيث تظل الإمكانات المطورة عند الإدخال السلبي مساوية لمدخلها المرجعي الإيجابي.

يتم تثبيت الصمام الثنائي Zener لتوليد جهد مرجعي عند المدخلات غير المقلوبة لمضخم الصوت المرجع. في حالة تجاوز تيار LEDs لقيمة محددة مسبقًا ، فإنه يطور مقدارًا متناسبًا من الجهد عبر مقاوم الإحساس RS ، والذي يحاول تجاوز القيمة المرجعية لـ zener.

نظرًا لأن هذا يتسبب في أن يتجاوز الجهد عند المدخلات العكسية السالبة لمضخم الصوت المرجع قيمة زينر المرجعية الإيجابية ، فإنه يفرض إيقاف تشغيل خرج المرجع أمبير والذي بدوره يقلل من تيار LED وكذلك الجهد عبر RS.

يؤدي هذا الموقف مرة أخرى إلى إعادة إخراج المرجع أمبير للتبديل إلى حالة التشغيل وتنشيط مؤشر LED ، ويستمر إجراء الضبط الذاتي لمضخم الصوت المرجع بلا حدود لضمان عدم تجاوز تيار LED أبدًا المستوى المحسوب غير الآمن.

يوضح الشكل 8 أعلاه تصميمًا آخر قائم على التعليقات تم إنجازه باستخدام زوج من BJTs. هنا ، يتدفق التيار عن طريق R1 ، مع تبديل الترانزستور Q1. يستمر التيار في الانتقال عبر R2 ، والذي يحدد المقدار الصحيح للتيار عبر مصابيح LED.

في حالة محاولة تيار LED هذا عبر R2 تجاوز القيمة المحددة مسبقًا ، فإن انخفاض الجهد عبر R2 يزيد أيضًا بشكل متناسب. في اللحظة التي يرتفع فيها انخفاض الجهد هذا إلى جهد القاعدة إلى الباعث (Vbe) للترانزستور Q2 ، يبدأ Q2 في التشغيل.

يجري الآن تحويل ON Q2 إلى بدء سحب التيار عبر R1 ، مما يجبر Q1 على البدء في إيقاف التشغيل وتحافظ الحالة على الضبط الذاتي للتيار من خلال LED لضمان عدم تجاوز تيار LED أبدًا المستوى غير الآمن ..

هذه محدد التيار الترانزستور مع حلقة التغذية الراجعة تضمن إمداد تيار مستمر لمصابيح LED وفقًا للقيمة المحسوبة لـ R2. في المثال أعلاه ، تم تنفيذ BJTs ولكن مع ذلك من الممكن أيضًا استخدام MOSFETs في هذه الدائرة ، للتطبيقات الحالية الأعلى.

محركات LED للتيار المستمر باستخدام الدوائر المتكاملة

يمكن تكرار كتل البناء الأساسية القائمة على الترانزستور بسهولة لتشغيل عدة سلاسل من LED ، كما هو موضح في الشكل 9.

السيطرة على مجموعة من سلاسل LED يؤدي بسرعة إلى ارتفاع عدد المكونات ، واحتلال مساحة أكبر من ثنائي الفينيل متعدد الكلور واستهلاك عدد أكبر من دبابيس الإدخال / الإخراج للأغراض العامة (GPIO).

علاوة على ذلك ، فإن مثل هذه التصميمات لا تحتوي أساسًا على التحكم في السطوع واعتبارات تشخيص الأخطاء ، والتي تعد احتياجات أساسية لمعظم تطبيقات LED للطاقة.

يتطلب تضمين المواصفات مثل التحكم في السطوع وتشخيص الأعطال عددًا إضافيًا من المكونات المنفصلة وإجراءات تحليل التصميم المضافة.

تصميمات LED والتي تشمل عدد أكبر من المصابيح ، يتسبب في تضمين تصميمات الدوائر المنفصلة عددًا أكبر من الأجزاء ، مما يزيد من تعقيد الدائرة.

من أجل تبسيط عملية التصميم ، يعتبر التطبيق الأكثر فعالية الدوائر المتكاملة المتخصصة لتعمل كسائقين LED . يمكن تسهيل العديد من المكونات المنفصلة كما هو موضح في الشكل 9 باستخدام برنامج تشغيل LED قائم على IC كما هو موضح في الشكل 10.

الشكل رقم 10

تم تصميم الدوائر المتكاملة لسائق LED خصيصًا للتعامل مع مواصفات الجهد والتيار ودرجة الحرارة الحرجة لمصابيح LED ، وكذلك لتقليل عدد الأجزاء وأبعاد اللوحة.

علاوة على ذلك ، قد تحتوي الدوائر المتكاملة الخاصة ببرنامج تشغيل LED على ميزات إضافية للتحكم في السطوع والتشخيص ، بما في ذلك الحماية من درجة الحرارة الزائدة. ومع ذلك ، قد يكون من الممكن تحقيق الميزات المتقدمة المذكورة أعلاه باستخدام تصميمات منفصلة تستند إلى BJT أيضًا ، ولكن يبدو أن الدوائر المتكاملة بديل أسهل نسبيًا.

التحديات في تطبيقات LED للسيارات

في العديد من تطبيقات LED الخاصة بالسيارات ، يصبح التحكم في السطوع ضرورة أساسية.

نظرًا لأن ضبط IF الحالي للأمام من خلال LED يضبط مستوى السطوع بشكل متناسب ، يمكن استخدام التصميمات التناظرية لتحقيق النتائج. الطريقة الرقمية للتحكم في سطوع LED هي من خلال تعديل عرض النبضة أو PWM. تحلل التفاصيل التالية المفهومين وتبين كيف يمكن تطبيقهما في تطبيقات LED الخاصة بالسيارات

الفرق بين التحكم في سطوع التناظرية و PWM LED

يقيّم الشكل 11 الفرق الرئيسي بين الطرق التناظرية والرقمية للتحكم في سطوع LED.

الشكل رقم 11

باستخدام التحكم في سطوع LED التناظري ، يتم تغيير إضاءة LED من خلال حجم التيار المتدفق الأكبر الذي ينتج عنه زيادة السطوع والعكس صحيح.

لكن جودة التعتيم التناظري أو التحكم في السطوع ليست مرضية ، خاصة في نطاقات السطوع المنخفضة. عادةً ما لا يكون التعتيم التناظري مناسبًا لتطبيقات LED المعتمدة على الألوان ، مثل إضاءة RGB أو مؤشرات الحالة نظرًا لأن تباين IF يميل إلى التأثير على إخراج اللون من LED ، مما يتسبب في ضعف دقة الألوان من RGB LEDs.

فى المقابل، مخفتات الإضاءة LED القائمة على PWM لا تغير من مؤشر LED الحالي للأمام ، بل يتحكم في الكثافة عن طريق تغيير معدل تشغيل / إيقاف تشغيل مصابيح LED. بعد ذلك ، يحدد متوسط ​​وقت التشغيل LED السطوع المتناسب على LED. وتسمى أيضًا دورة العمل (نسبة عرض النبضة على الفاصل الزمني النبضي لـ PWM). من خلال PWM ، ينتج عن دورة العمل الأعلى متوسط ​​تيار أعلى من خلال LED مما يؤدي إلى سطوع أعلى والعكس صحيح.

نظرًا لحقيقة أنك قادر على تعديل دورة العمل بدقة إلى نطاقات إضاءة مختلفة ، فإن تعتيم PWM يساعد على تحقيق نسبة تعتيم أوسع بكثير مقارنة بالتعتيم التناظري.

على الرغم من أن PWM يضمن إخراجًا محسنًا للتحكم في السطوع ، إلا أنه يتطلب المزيد من تحليل التصميم. يجب أن يكون تردد PWM أعلى بكثير مما يمكن أن تدركه رؤيتنا ، وإلا فقد تظهر مصابيح LED وكأنها تومض. علاوة على ذلك ، تشتهر دوائر باهتة PWM بتوليد التداخل الكهرومغناطيسي (EMI).

التداخل من مشغلات LED

قد تؤثر دائرة تشغيل LED للسيارة التي تم إنشاؤها باستخدام تحكم غير كافٍ في EMI سلبًا على البرامج الإلكترونية المجاورة الأخرى ، مثل توليد ضوضاء صاخبة في الراديو أو معدات الصوت الحساسة المماثلة.

يمكن أن توفر لك الدوائر المتكاملة الخاصة ببرنامج تشغيل LED كل من ميزات التعتيم التناظرية و PWM جنبًا إلى جنب مع الوظائف التكميلية لمعالجة EMI ، مثل معدل الدوران القابل للبرمجة ، أو تغيير طور قناة الإخراج أو تأخير المجموعة.

تشخيصات LED وتقارير الأعطال

تعتبر تشخيصات LED التي تتضمن التسخين الزائد أو ماس كهربائى أو دائرة مفتوحة من متطلبات التصميم الشائعة ، خاصة عندما يتطلب التطبيق تشغيل LED متعدد. لتقليل مخاطر عطل LED ، تتميز برامج تشغيل LED بتيار خرج منظم بدقة أكبر من محركات التشغيل المنفصلة القائمة على الترانزستور.

إلى جانب ذلك ، تشتمل برامج تشغيل IC أيضًا على حماية من درجة الحرارة الزائدة لضمان عمر تشغيلي أعلى لمصابيح LED ودائرة السائق نفسها.

يجب أن تكون محركات أقراص LED المصممة للسيارات مجهزة لاكتشاف الأخطاء ، على سبيل المثال ، فتح الصمام أو ماس كهربائى. قد تتطلب بعض التطبيقات أيضًا إجراءات متابعة لمواجهة الخطأ المكتشف.

على سبيل المثال ، تشتمل وحدة الإضاءة الخلفية للسيارة على عدد من سلاسل مصابيح LED لإضاءة المصابيح الخلفية وأضواء الفرامل. في حالة اكتشاف عطل LED معطل في إحدى سلاسل LED ، يجب أن تكون الدائرة قادرة على إيقاف تشغيل مجموعة مصابيح LED بأكملها ، وذلك لضمان إمكانية تجنب المزيد من الضرر لمصابيح LED المتبقية.

سيحذر الإجراء أيضًا المستخدم بشأن وحدة LED المتدهورة غير القياسية التي تحتاج إلى إلغاء تثبيتها وإرسالها للصيانة إلى الشركة المصنعة.

وحدات التحكم في الجسم (BCM)

لتكون قادرًا على توفير تنبيه تشخيصي لمستخدم السيارة ، يوجد مفتاح ذكي عالي الجانب في وحدة التحكم الجسم (BCM) يسجل خطأ من خلال عنصر الضوء الخلفي كما هو موضح في الشكل 12 أعلاه.

بعد قولي هذا ، قد يكون تحديد عطل LED من خلال BCM معقدًا. من حين لآخر ، يمكنك استخدام نفس تصميم لوحة BCM لاكتشاف الدوائر المستندة إلى المصباح المتوهج القياسي أو نظام قائم على LED لأن تيار LED يميل إلى أن يكون أصغر بشكل كبير مقارنةً باستهلاك المصباح المتوهج ، ويفرق بين حمل LED المنطقي.

استنتاج

قد يكون من الصعب تحديد الحمل المفتوح أو المنفصل إذا لم يتم تصميم التشخيصات الحالية بدقة. بدلاً من وجود سلسلة LED مفتوحة فردية ، يصبح إيقاف تشغيل سلسلة سلاسل LED بالكامل أكثر سهولة في اكتشاف BCM للإبلاغ عن حالة تحميل مفتوح. شرط يضمن أنه في حالة فشل One-LED ، يمكن تنفيذ معيار All-LED-failure لإغلاق جميع مصابيح LED عند اكتشاف عطل LED واحد. تشتمل برامج تشغيل LED الخطية للسيارات على الميزة التي تسمح بتفاعل واحد فشل كل الفشل ويمكنه تحديد ناقل خطأ شائع عبر تكوينات ICs المتعددة.