Evoluţia soluţiilor de iluminare ambientală cu LED-uri îşi are originea în căutarea stiliştilor pentru interioare auto de a adăuga valoare suplimentară şi de a face mai atractive vehiculele pentru simţurile şoferilor, creând o experienţă pozitivă şi crescând căutarea pentru brandul lor. Electronica, continuă să fie un sector cu creşterea cea mai rapidă în ceea ce priveşte industria auto, faţă de mecanică, pneumatică şi hidraulică. Odată cu creşterea aplicaţiilor ambientale cu LED – de la iluminarea de fond la iluminarea de suport pahare, la iluminarea în zona picioarelor, a uşilor şi plafonului – soluţiile cu LED-uri, atât albe cât şi RGB, reprezintă elemente de diferenţiere pentru OEM-urile auto. De fapt, cercetarea indică faptul că iluminarea poate îmbunătăţi sensibilitatea vizuală a şoferilor.
de Johann Stelzer / Andreas Reiter / Frank Ziegenhorn, Microchip Technology Inc.
O problemă care rămâne critică este selectarea soluţiei embedded corecte cu respectarea cerinţelor aplicaţiei, care să conducă la proiecte economice cu timp mic de lansare pe piaţă. Acest articol abordează următoarele aspecte:
(a) Diferite metode de control al soluţiilor de iluminare ambientală cu LED-uri
(b) Utilizarea algoritmilor de control pentru a permite performanţe ridicate ale parametrilor, reglarea luminozităţii şi compensarea de temperatură pentru LED-urile color
(c) Crearea de scenarii de iluminare preferate de şoferi prin schimbarea culorii şi strălucirii matricelor de LED-uri
Odată cu creşterea mare a necesităţii de module de iluminare cu legare în reţea, implementarea celor mai bune practici pentru comunicaţii LIN în soluţiile de iluminare ambientală cu LED-uri poate ajuta la reducerea costurilor de dezvoltare şi a perioadelor de timp implicate. Deoarece LED-urile consumă mai puţină energie şi ocupă mai puţin spaţiu, eficienţa combustibilului este îmbunătăţită, iar avantajele permit stiliştilor să-şi extindă creativitatea utilizând iluminarea pentru amenajarea interiorului.
Dincolo de toate, soluţiile de iluminare ambientală cu LED-uri oferă OEM-urilor oportunitatea de inovare a unei atmosfere confortabile atât pentru şofer, cât şi pentru pasager.
Iluminarea ambientală cu LED-uri este mult mai mult decât o caracteristică atractivă. Cercetările asupra impactului iluminării interioare a fost ignorat în ultimii ani, în vreme ce concentrarea cercetării&dezvoltării s-a axat pe iluminarea exterioară. Acest lucru se schimbă. Odată cu avansul rapid al tehnologiei LED, OEM-urile sunt în măsură să ofere nu numai o iluminare interioară plină de culoare dar şi iluminare reglabilă de către utilizator. Şoferii pot regla lumina în funcţie de stare şi gust. Suplimentar, este un mare potenţial în ceea ce priveşte iluminarea interioară.
În modelele maşinilor viitorului, iluminarea interioară va deveni parte a sistemului avansat de informaţii al şoferului. Ideea revoluţionară este de adaptare a iluminării interioare în acord cu situaţia şoferului.
Culoarea iluminării interioare poate fi de exemplu diferită pentru oraş, drumuri de ţară sau autostrăzi. Iluminarea interioară roşie poate creşte nivelul de atenţie în oraş, în vreme ce iluminarea interioară galbenă poate ajuta şoferul să se relaxeze atunci când se deplasează pe autostradă. Iluminarea interioară poate avertiza şoferul asupra unui accident iminent. În multe cazuri, iluminarea interioară fără pâlpâire este asociată cu caracteristici de înaltă valoare pentru producătorii de maşini pentru diferenţierea produselor într-un mediu foarte competitiv.
Comanda LED-urilor
LED-urile trebuie să fie comandate cu o sursă de curent constant. Majoritatea LED-urilor au un nivel de curent specificat pentru care se obţine un maxim de strălucire fără defectare prematură. Ieşirea luminoasă a unui LED este proporţională cu curentul ce trece prin el. Există două tehnici de control a strălucirii LED-ului în circuit. Una dintre ele este varierea curentului de comandă. Curentul de comandă al LED-ului poate fi controlat utilizând o rezistenţă variabilă sau o sursă de tensiune reglabilă. O altă tehnică este reprezentată de aplicarea unui semnal cu modularea lăţimii pulsului (PWM) sau cu frecvenţă variabilă şi factor de umplere fix.
Prima metodă are două dezavantaje majore: odată cu reducerea curentului, eficienţa LED-ului poate fi de asemenea redusă. În cazul LED-urilor albe de înaltă putere poate apare a variaţie de culoare odată cu reducerea nivelului de curent. Tehnicile de reglare PWM comandă LED-ul întotdeauna la nivelul maxim de curent. De aici, problemele legate de reducerea eficienţei şi variaţiile de culoare pot fi eliminate. Pentru a crea diferite combinaţii de culoare, factorii de umplere pentru ieşirile PWM se vor schimba în timp.
Metode de control al culorii
Tehnologiile embedded cu microcontroler permit componentelor de culoare ale unei surse de lumină să fie detectate şi controlate activ. Controlul activ al culorii poate fi utilizat pentru a crea o culoare specifică a culorii, sau poate fi utilizat pentru a crea un amestec. De exemplu, culorile cu componente multiple pot fi amestecate pentru a crea o calitate specifică de lumină albă.
Utilizând trei valori individuale de culoare pentru Roşu (R), Verde (G – green) şi albastru (B – blue), plus o valoare suplimentară a strălucirii, se asigură suportul pentru generarea culorii dorite fie cu trei canale PWM, sau, mai simplu şi eficient, prin trei canale – unul pentru fiecare culoare – şi unul suplimentar, un al patrulea canal PWM pentru strălucire.
O abordare recentă poate fi remarcată în cazul modelelor Companiei Ford Motor.
Abordarea care utilizează trei canale pentru integrarea strălucirii şi controlului necesită tipic o rezoluţie de 14 sau 16 biţi şi un microcontroler (MCU) destul de puternic. Aceeaşi calitate poate fi obţinută cu patru canale, fiecare cu o rezoluţie de 10 biţi, tipic găsită într-un MCU economic pe 8 biţi. În cazul scenariului cu patru canale, apare multiplicarea culoarea × strălucire într-un circuit hardware extern.
Variaţia tipică logaritmică necesară pentru controlul strălucirii poate fi de asemenea realizată într-o manieră suficient de precisă pe un asemenea MCU pe 8 biţi economic, cu aproximaţie printr-o funcţie de putere (vedeţi Figura 1).
Temperatura LED-ului este unul dintre factorii care au un impact semnificativ asupra culorii LED-ului. De aceea temperatura trebuie să fie compensată. O metodă simplă, economică şi eficientă pentru compensarea temperaturii este utilizarea unui comparator pe microcontroler şi a unui termistor NTC (coeficient de temperatură negativ) poziţionat lângă LED-uri. O altă cale de a câştiga controlul temperaturii LED-ului este de a măsura căderea de tensiune directă. Rezoluţia unui convertor analog-digital (ADC) integrat pe microcontroler este de 10 biţi, suficient pentru această sarcină. Măsurarea căderii de tensiune directe are avantajele sale, eliminând necesitatea pentru componente externe.
Reţele de iluminare
Corecţia culorii, compensarea temperaturii, schimbarea culorii, mixarea culorilor, controlul strălucirii şi dorinţa producătorilor de maşini de a realiza diferite scenarii de iluminare fac inevitabilă utilizarea unui microcontroler, precum PIC® MCU cu memorie nevolatilă. Mai mult, necesitatea de legare a acestor noduri de iluminare RGB în vehicul cu dorinţă de diagnosticare, solicită un protocol de comunicaţie potrivit economic. În vreme ce primele dispozitive de iluminare de interior erau legate individual, cele mai noi generaţii şi dezvoltările recente la nivelul OEM-urilor fac apel la magistrala de comunicaţie economică, binecunoscută LIN / J2602. Viteza de comunicaţie LIN de 19,2k baud este suficientă pentru a suporta schimbarea culorii şi scenarii de iluminare fără impact notabil asupra şoferului şi pasagerului.
Mai recent, comunicaţia LIN cu capabilitate de auto-adresare este luată în considerare pentru acest tip de aplicaţie de către unii dintre producătorii de maşini. Există câteva metode cunoscute de auto-adresare, fiecare cu păreri pro şi contra (vedeţi Figura 2). Comun tuturor soluţiilor este faptul că adaugă un preţ suplimentar, prin comparaţie cu comunicaţia standard LIN. Totuşi, aceste costuri adiţionale oferă costuri logistice reduse la nivel de OEM.
Preocuparea către constrângerile de spaţiu
Aplicaţiile tipice de iluminare interioară sunt foarte afectate de constrângerile de spaţiu. Nodurile de lumină sunt integrate în comutatoare, suporturi de pahare, mânere de uşi, tablouri de bord, scaune, lumini pentru citit, zona picioarelor şi consolele de plafon.
Spaţiul disponibil pentru electronică este adesea o suprafaţă de numai 10 mm × 20 mm sau mai puţin, conducând la soluţii capsulate mici în carcase SSOP, QFN şi DFN. Temperatura ambientală şi autoîncălzirea necesită un management termic atent, pentru dispozitive semiconductoare cu disipare redusă de putere şi domenii de temperatură de operare extinse de la -40°C la 125°C. Uzual, nodurile sunt conectare la terminal 30 şi de aceea necesită un curent de aşteptare foarte redus, semnificativ sub 100 µA.
Proiectul de referinţă al Microchip cu privire la modul de iluminare ambientală interioară pentru industria auto (Automotive Ambient Interior Lighting Module) prezintă controlul bazat pe microcontroler al dispozitivelor cu LED-uri RGB (vedeţi www.microchip.com, Nota de aplicaţie AN1074).
Acest modul poate fi controlat de la distanţă de către un controler master prin magistrală LIN. Modulele sunt oferite pe o placă cu factor de formă foarte compact 10 mm × 20 mm, şi cuprind o soluţie PIC16F1829LIN, inclusiv un transceiver LIN, stabilizator de tensiune, microcontroler PIC pe 8-biţi şi LED RGB. Comenzile LIN sunt interpretate de modul pentru a controla amestecul de culoare (16.383 culori) şi intensitatea (1023 nivele).
Kit-ul se livrează cu patru module pentru realizarea zonelor de iluminare într-o reţea LIN sau J2602. Aceste module pot fi de asemenea utilizate în conjuncţie cu analizorul serial LIN al Microchip (LIN Serial Analyzer – APGDT001) pentru a crea rapid o reţea de lucru LIN RGB.
O soluţie bazată pe microcontroler oferă flexibilitatea şi integrarea necesare viitoarelor aplicaţii de iluminare interioară RGB bazate pe LIN. Arhitectura sistemului atent analizată permite utilizarea de microcontrolere economice pe 8 biţi fără a compromite performanţa. Acest lucru permite OEM să ofere iluminare interioară color pentru modelele de vehicule în producţie de masă, crescând valoarea lor şi îmbunătăţind confortul de conducere şi siguranţa. Caracteristici precum detecţie apropiere şi comutatoare tactile capacitive sunt funcţii adiţionale uşor de implementat cu microcontrolere PIC, aproape fără costuri suplimentare, îmbunătăţind în continuare valoarea sistemului.
Referinţe
• Nota de aplicaţie: AN-1074, Generarea PWM software pentru aplicaţii de culoare TGB şi reglare a strălucirii. www.microchip.com.
• Microchip’s Automotive Design Center:
www.microchip.com/auto
• Microchip’s Lighting Design Center:
www.microchip.com/lighting