نظرة عامة على التصميم
يمثل تصميم TIDA-01096 من TI نظام تشغيل فرعي مُختَبَر لسائقات مصابيح LED ذات التيار المستمر، المُخصصة لمصابيح LED البيضاء القابلة للضبط. تم بناء هذا التصميم على منصة نظام على شريحة لاسلكي، مما يمكنه من تمكين ضبط الشدة (تعتيم) والتحكم في درجة حرارة اللون المترابط باستخدام أي جهاز Bluetooth low energy.
الابتكار الرئيسي: المصابيح البيضاء القابلة للضبط تحاكي ظروف ضوء النهار. من خلال دوائر LED منفصلة للبيضاء الدافئة والبيضاء الباردة، يسمح التصميم بضبط CCT، مما يساعد في تحقيق التحفيز اليومي المناسب لتطبيقات الصحة البشرية.
مواصفات الأداء الرئيسية
Key Features & Benefits
تشغيل عالي الكفاءة
كفاءة 98٪ عبر نطاق سطوع من 100٪ إلى 50٪ مع التعتيم التناظري، مما يقلل استهلاك الطاقة وتوليد الحرارة في أنظمة الإضاءة LED.
قدرات التعتيم المتقدمة
نسبة تباين 1:25 مع التعتيم التناظري و 1:50 مع التعتيم PWM، مما يوفر تحكمًا دقيقًا في السطوع لسيناريوهات الإضاءة المختلفة.
التحكم اللاسلكي عبر Bluetooth
يتيح اتصال Bluetooth Smart التحكم اللاسلكي في الشدة ودرجة حرارة اللون باستخدام الهواتف الذكية أو أجهزة BLE الأخرى.
استشعار الضوء المحيط
قياس الضوء المعتمد على مستشعر OPT3001 يتيح حصاد الضوء النهاري وتنفيذ شدة إضاءة ثابتة عبر البرمجيات لتحقيق كفاءة الطاقة.
الحماية الشاملة
يوفر الحماية ضد التيار الزائد ودرجات الحرارة المرتفعة للسائق ووحدة LED تشغيلاً موثوقاً وإطالة في العمر الافتراضي.
دعم الإضاءة الإيقاعية
تتيح خاصية الضوء الأبيض القابل للتعديل دعم تطبيقات الصحة البشرية من خلال محاكاة ظروف ضوء النهار الطبيعي على مدار اليوم.
نظرة عامة مفصلة للمحتوى
محتويات المستند
نظرة عامة على النظام
تُستخدم الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) بشكل متزايد كمصدر للضوء. في وقت كتابة هذا التقرير، يتحول تركيز الإضاءة حاليًا من مجرد إنارة المناطق بإخراج ضوئي ثابت إلى توفير إخراج ضوئي عالي الجودة ومتحكم فيه. تلعب الإضاءة عالية الجودة ذات الشدة القابلة للتعديل ودرجة حرارة اللون القابلة للتعديل دورًا محوريًا في تعزيز العمارة والرفاهية البشرية.
لتغيير درجة حرارة اللون للضوء الأبيض، يمكن للمصمم تنفيذ مزيج من مصابيح LED الدافئة (درجة حرارة لون حوالي 2500 كلفن) ومصابيح LED الباردة (درجة حرارة لون حوالي 5700 كلفن). تتوفر مصابيح LED بيضاء قابلة للتعديل من نوع رقاقة على لوح (COB) بدارتين منفصلتين. من خلال تغيير التيار المار عبر الدائرتين، يمكن للمصمم إنشاء درجات حرارة لون تتراوح من 2500 كلفن إلى 5700 كلفن.
يمكن استخدام محرك مصابيح LED البيضاء القابلة للتعديل مع مشغلاتها كمنصة لإضاءة الإيقاع اليومي، التي تستهدف صحة الإنسان. للإضاءة تأثير عميق على النوم، واليقظة، وكفاءة العمل، والصحة. يمكن استخدام نظام إضاءة LED أبيض قابل للتعديل للحفاظ السليم على الإيقاع اليومي، مما يسمح بكمية الضوء الأبيض والضوء الدافئ اللازمة، مما يحسن الصحة في الظروف الداخلية.
المواصفات الرئيسية للنظام
| PARAMETERS | MIN | نموذجي | أقصى | وحدة |
|---|---|---|---|---|
| جهد الدخل | 35 | - | 42 | V |
| تيار الخرج (LED) | 0 | - | 700 | مللي أمبير |
| تردد التبديل | - | 600 | - | كيلوهرتز |
| تردد تخفيف PWM | 200 | - | 5000 | هرتز |
| جهد أمامي لصباح LED الدافئ | 34 | 37 | 40 | V |
| جهد أمامي لصمام ثنائي باعث للضوء البارد | 35 | 38 | 41 | V |
| درجة حرارة التشغيل | -30 | - | 100 | °C |
مخطط كتلة النظام
يتم بناء بنية النظام حول مجموعة SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad Kit، التي تتحكم في اثنين من مشغلات LED من نوع TPS92513HV buck لسلاسل LED الدافئة والباردة. يشمل التصميم:
- CC2650 Wireless MCU: يولد إشارات PWM للتحكم في التعتيم وإدارة اتصال البلوتوث
- TPS92513HV Buck LED Drivers: سائقان مستقلان لسلاسل LED الدافئة والباردة مع ضبط تيار تماثلي متكامل
- OPA376 Op-Amps: تخميد إشارات PWM المرشحة للتحكم في التعتيم التناظري
- OPT3001 Ambient Light Sensor: تمكين حصاد الضوء النهاري وإخراج لومن ثابت
- مستشعر درجة الحرارة LMT84: يراقب درجة حرارة المشتت الحراري للحماية من السخونة الزائدة
- مرشحات التمرير المنخفض RC: تحويل إشارات PWM إلى جهود تناظرية لضبط المرجع الحالي
مذكرة تصميم يستقبل النظام مدخلاً تيار مستمر 35-42 فولت ويقود مصباح LED أبيض قابل للضبط بقدرة 35 واط مع سلسلتي LED منفصلتين للدفء والبرودة، مما يمكن من ضبط درجة حرارة اللون من 2500 كلفن إلى 5700 كلفن.
المكونات البارزة
TPS92513HV
منظم تيار تنحي 1.5 أمبير مع MOSFET متكامل لقيادة مصابيح LED عالية التيار.
- نطاق جهد الإدخال 4.5-60 فولت
- دقة تيار LED ±5%
- تردد التبديل من 100 كيلوهرتز إلى 2 ميجاهرتز
- إدخال تظليل PWM مخصص
- ترانزستور MOSFET متكامل عالي الجانب بمقاومة 220 ملي أوم
CC2650
متحكم دقيق لاسلكي موجّه لتطبيقات Bluetooth Smart وZigBee و6LoWPAN.
- معالج ARM Cortex-M3 32-بت بتردد 48 ميجاهرتز
- وحدة تحكم أجهزة الاستشعار فائقة انخفاض استهلاك الطاقة
- وحدة تحكم BLE مضمنة في ذاكرة ROM
- 128 كيلوبايت من الذاكرة الفلاشية، 20 كيلوبايت من الذاكرة السريعة SRAM
- مجموعة غنية من الوحدات الطرفية تشمل I²C وUART وSPI
OPT3001
مستشعر الضوء المحيطي مع ترشيح بصري دقيق لمطابقة استجابة العين البشرية.
- Rejects >99% of IR
- نطاق القياس من 0.01 لوكس إلى 83 ألف لوكس
- نطاق ديناميكي فعال 23 بت
- تيار تشغيل منخفض: 1.8 ميكرو أمبير
- إخراج رقمي متوافق مع I²C
OPA376
مضخم عمليات منخفض الضوضاء مزود بتقنية e-trim، يقدم دقة استثنائية في التيار المستمر وأداءً متميزًا في التيار المتردد.
- ضوضاء منخفضة: 7.5 nV/√Hz عند 1 كيلوهرتز
- جهد إزاحة منخفض: 5 ميكروفولت بشكل نموذجي
- ناتج عرض النطاق الترددي 5.5 ميجاهرتز
- مدخلات ومخرجات من القضيب إلى القضيب
- جهد تزويد من 2.2 فولت إلى 5.5 فولت
LMT84
مستشعر حرارة دقيق من نوع CMOS بجهد خرج تناظري يتناسب عكسياً مع درجة الحرارة.
- دقة نموذجية ±0.4 درجة مئوية
- نطاق درجة الحرارة من -50°C إلى 150°C
- تيار سكون منخفض 5.4 ميكرو أمبير
- متوسط كسب المستشعر -5.5 مللي فولت/درجة مئوية
- تشغيل بجهد منخفض 1.5 فولت
نظرية تصميم النظام
تحتاج مصابيح LED إلى محرك تيار ثابت، بينما يتطلب الضوء الأبيض القابل للتعديل تغيير التيار في سلسلتي LED منفصلتين والتحكم فيه. يتطلب تركيب الإضاءة باستخدام مصابيح LED البيضاء القابلة للتعديل مزود طاقة AC-DC بجهد ثابت مدمج مع وحدتي تحكم تيار خافض من نوع DC-DC لتغيير التيار المار في سلاسل مصابيح LED.
تستخدم منصة TIDA-01096 اثنين من مشغلات LED ذات التبريد TPS92513HV مع ضبط تيار تناظري متكامل للتحكم في التيار عبر سلاسل LED الدافئة والباردة. تتميز مشغلات TPS92513/HV LED بمداخل منفصلة للتعتيم التناظري وتعديل عرض النبض (PWM) للتحكم في السطوع دون مساومة لتحقيق نسب تباين تزيد عن 100:1.
يتم التحكم في مشغلات LED ذات التبريد بواسطة مجموعة SimpleLink CC2650 Wireless MCU LaunchPad، التي تولد إشارتي PWM لتعتيم كلا السلسلتين. يتطلب تحقيق التعتيم التناظري مدخلين تناظريين متغيرين لضبط IADJ لمشغلات LED ذات التبريد. يتم اشتقاق IADJ المتغير باستخدام PWM من جهاز CC2650 كمحول رقمي إلى تناظري (DAC). لهذه العملية، يتم ترشيح PWM المولد من جهاز CC2650 بواسطة مرشح منخفض التمرير RC رباعي المراحل، ويتم تخزين الناتج المرشح باستخدام مكبر العمليات OPA376.
Design Equations
يشمل التصميم حسابات شاملة لـ:
- إعداد قفل الجهد المنخفض: تُحدد المقاومتان R1=120kΩ و R6=5kΩ جهد إيقاف التشغيل عند الجهد المنخفض (UVLO) بقيمة 30.5 فولت
- تردد التبديل: تُضبط المقاومة RRT=190.63kΩ تردد التبديل fSW عند 600 كيلوهرتز
- ضبط تيار الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED): مقاومة الاستشعار الحالية = 0.05 أوم لتيار LED أقصى مقداره 700 مللي أمبير
- مرشح تخفيف الإضاءة التناظري: مرشح RC رباعي المراحل بتردد قطع 391 هرتز
- اختيار المحث: محسوب لتيار تموج 275 مللي أمبير عند الحمل الكامل
- مكثف الخرج: تم اختيار 4.7 ميكروفاراد لتحقيق تيار تموج 5 مللي أمبير لـ LED
تقنيات التعتيم
ينفذ التصميم ثلاث طرق مختلفة للتعتيم لتوفير المرونة وتحسين الأداء تحت ظروف التشغيل المختلفة:
التعتيم التناظري
استخدام دبوس IADJ لضبط تيار LED ديناميكيًا. أكثر كفاءة مع انبعاثات كهرومغناطيسية أقل لكنه قد يتسبب في تغير درجة حرارة اللون عند التيارات المنخفضة جدًا.
- يستخدم PWM المُرشح عبر مرشح RC رباعي المراحل
- يوفر دقة 12 بت
- كفاءة أعلى: تصل إلى 98%
- نسبة التباين 1:25
تخفيف PWM
استخدام دبوس PDIM لتمكين/تعطيل مشغل البوابة. يتجنب مشاكل درجة حرارة اللون عند التيارات المنخفضة ويوفر دقة أعلى.
- نطاق التردد من 200 هرتز إلى 5 كيلوهرتز
- التحكم المباشر في مشغل البوابة
- خطية تخفيف أفضل عند التيارات المنخفضة
- نسبة تباين 1:50
Hybrid Dimming
يجمع بين الطريقتين - التناظري للكفاءة وPWM للضبط الدقيق ودقة أفضل عند التيارات المنخفضة.
- يحسن الكفاءة والدقة
- التناظرية لنطاق التعتيم الرئيسي
- PWM للضبط الدقيق عند التيارات المنخفضة
- الأفضل بين التقنيتين
تشغيل خالٍ من الوميض: يمكن للتصميم تحقيق تشغيل خالٍ من الوميض حتى تيار خرج 6 مللي أمبير عن طريق تعديل مقاومة استشعار التيار من 50 ملي أوم إلى 250 ملي أوم، مما يتيح إضاءة عالية الجودة حتى عند مستويات السطوع المنخفضة جداً.
Test Data & Performance
أظهر الاختبار الشامل أداءً ممتازًا للتصميم عبر ظروف التشغيل المختلفة:
Efficiency Performance
- التعتيم التناظري: 98.15% peak efficiency at full load, maintaining >95% efficiency down to 20% load
- التعتيم بنمط تعديل عرض النبضة (1 كيلوهرتز): كفاءة 97.39٪ عند دورة عمل 100٪، تتناقص تدريجياً إلى 84.88٪ عند دورة عمل 3٪
- PWM Dimming (5kHz): 97.82% efficiency at 100% duty cycle, maintaining >90% efficiency down to 5% duty cycle
- Input Voltage Variation: تظل الكفاءة أعلى من 97٪ عبر نطاق الإدخال 35V إلى 48V
أداء الضوء الأبيض القابل للضبط
يحافظ النظام بكفاءة على ضبط درجة حرارة اللون عبر مستويات السطوع المختلفة:
- سطوع 100%: تتراوح كفاءة النظام من 97.27% (اللون الأبيض البارد) إلى 98.15% (اللون الأبيض الدافئ)
- سطوع 75%: تتراوح الكفاءة من 97.24% إلى 98.01% عبر درجات حرارة اللون
- سطوع 50%: تتراوح الكفاءة من 97.18% إلى 98.31% عبر نطاق الضبط
أداء المستشعر
- OPT3001 Ambient Light Sensor: يوفر قياسات دقيقة للوكس تتراوح من 2.57 لوكس إلى 12902 لوكس
- مستشعر درجة الحرارة LMT84: يراقب درجة حرارة المشتت الحراري من 36.21°C إلى 61.60°C تحت ظروف تحميل مختلفة
Design Files & Resources
تشمل حزمة التصميم الكاملة جميع الملفات اللازمة للتنفيذ:
- المخططات: مخططات الدوائر الكاملة لنظام تشغيل مصابيح LED
- قائمة المواد: قائمة شاملة للأجزاء مع إشارات الشركات المصنعة
- تخطيط اللوحة الإلكترونية المطبوعة: ملفات جيربر وتوصيات التخطيط
- مشروع ألتيوم: ملفات مشروع التصميم الكاملة
- رسومات التجميع: تعليمات التجميع التفصيلية
- ملفات البرمجيات: برنامج تشغيل لوحدة التحكم الدقيقة CC2650 مع تقنية الاتصال BLE
مجالات التطبيق: يُعد هذا التصميم المرجعي مثاليًا للإضاءة الداخلية باستخدام مصابيح LED (السكنية والتجارية والضيوفية والإضاءة الزخرفية)، وأنظمة الإضاءة اللاسلكية المتصلة، وتطبيقات إضاءة LED ذات الجهد المنخفض والتي تتطلب تحكمًا دقيقًا في درجة حرارة اللون واتصالاً لاسلكيًا.
ملاحظة: يمثل ما سبق ملخصًا شاملاً لتصميم المرجع. يحتوي مستند PDF الكامل على مخططات تفصيلية، وإرشادات التخطيط، وتفاصيل تنفيذ البرامج الثابتة، وبيانات اختبار موسعة. نوصي بتنزيل ملف PDF الكامل للحصول على تفاصيل التنفيذ الكاملة.