MSP430 sorgt für Atmosphäre

praxis
power-leds
RGB-LED-Stimmung
MSP430 sorgt für Atmosphäre
Von Dirk Gehrke und Christian Hernitscheck
Immer häufiger kommen High-Brightness-LEDs im Beleuchtungssektor zum Einsatz.
Wir stellen hier eine mit geringem Bauteilaufwand realisierte Stimmungs-LEDLeuchte vor. Jede der drei LEDs wird durch einen Schaltregler mit konstantem
Strom versorgt. Die Helligkeitssteuerung übernimmt ein MSP430Mikrocontroller als dreifacher PWM-Signalgenerator. Die Platine lässt sich
zum Beispiel in eine Tischlampe mit gefrostetem Glaskörper einbauen
oder als LED-Strahler zur indirekten Beleuchtung verwenden.
Unabhängig von ihrer Leistung wer­
den LEDs heutzutage generell mit Kon­
stantstrom betrieben. Dies liegt darin
begründet, dass die Lichtausbeute (in
Lumen gemessen) proportional zum
Stromfluss ist.
Daher spezifizieren alle LED-Herstel­
ler Parameter wie die Lichtausbeu­
te (auch als optischer Wirkungsgrad
bezeichnet), den Abstrahlwinkel und
die Wellenlänge in Abhängigkeit vom
Durchlassstrom IF und nicht, wie ver­
mutet werden könnte, über die Vor­
wärtsspannung V F. Daher kommen
auch in diesem Projekt Konstantstrom­
regler zum Einsatz, die diesen Anfor­
derungen genügen.
Warnung vor
hellen LEDs!
Auf keinen Fall direkt auf/in die
LEDs blicken! Die sehr hell strahlenden
LEDs sind nicht nur unangenehm, sondern
gefährlich für die Augen, weil sie die Netzhaut schädigen können. Wir empfehlen
daher, die Platine mit den LEDs nur gegen
eine weiße Wand gerichtet zur indirekten
Beleuchtung zu betreiben.
52
Konstantstrom für
High-Brightness-LEDs
Schaltung in ver­
einfachter Form wieder.
Der Großteil der auf dem Markt verbrei­
teten Schaltwandler sind für den Be­
trieb als Konstantspannungsquellen
ausgelegt und nicht als Konstantstrom­
quellen. Um nun einen solchen Wand­
ler als Konstantstromquelle einsetzen
zu können, ist eine kleine Schaltungs­
modifikation nötig, die sehr einfach
nachvollziehbar ist. Anstelle des übli­
cherweise verwendeten Spannungstei­
lers zur Festlegung der Ausgangsspan­
nung wird ein Strommesswiderstand
verwendet, dessen Spannungsabfall
den Stromfluss festlegt. Bild 1 gibt die
LEDs dimmen
Grundsätzlich kann man LEDs auf
zwei Arten dimmen. Die erste und ein­
fachste Art ist die analoge Regelung,
bei der man den Stromfluss durch die
LED variiert: Kleinerer Strom bedeu­
tet geringere Helligkeit. Dieser Ansatz
weist jedoch zwei gravierende Nach­
teile auf. Zum einen ist die Helligkeit
der LED nicht proportional zum Strom­
fluss durch die LED, und zum zweiten
verschiebt sich die von der LED ab­
gestrahlte Wellenlänge und damit die
VOUT = VFB R2 + R1
R2
+5V
VIN
SW
2µH2
IF =
VOUT
+5V
VIN
R1
MODE
DRV
GND
GND
22µ
IF
2µH2
LED
MODE
TPS62260
EN
SW
VFB
RFB
FB
PwPd
TPS62260
VFB
EN
R2
DRV
GND
4µ7
GND
22µ
FB
10k
VFB
PwPd
1W
RFB
4µ7
070892 - 11
Bild 1. Schaltwandler als Spannungsquelle oder Stromquelle konfiguriert.
elektor - 2/2008
gslicht
Farbe bei abneh­
mendem Stromfluss
(bezogen auf den spe­
zifizierten Nennstrom
durch die LED). Diese bei­
den Phänomene sind in den
wenigsten Fällen erwünscht.
Die nur minimal komplexere Art der An­
steuerung arbeitet mit einer Konstant­
stromquelle, die eine LED mit dem spe­
zifizierten Nennstrom ansteuert. Mit ei­
ner Zusatzbeschaltung kann dann diese
LED durch schnelles Ein- und Ausschal­
ten mit entsprechendem Tastverhältnis
dazu gebracht werden, im Mittel we­
niger Licht abzustrahlen - was optisch
als geringerer Helligkeitswert wahrge­
nommen wird. Durch das Verändern
des Tastverhältnisses lässt sich somit
sehr einfach die Helligkeit der LED ein­
stellen. Diese Methode ist als Pulsbrei­
tenmodulation bekannt (Englisch PWM
= Pulse Width Modulation).
Dimmen mit PWM
Anhand des Schaltreglers TPS62260
sollen verschiedene Möglichkeiten zur
Implementierung der PWM-Technik bei­
spielhaft gezeigt werden. Der TPS62260
ist ein synchroner Abwärtswandler mit
integrierten Schaltelementen und einer
Taktfrequenz von typisch 2,25 MHz.
In der in Bild 2 schwarz dargestellten
+5V
VIN
Si2302ADS
SW
PWM
LED
MODE
TPS62260
100k
EN
DRV
GND
FB
10k
VFB
1W
PwPd
10k
< 100Hz
< 50kHz!
10
2
PWM
GND
TS4148RY
070892 - 12
Bild 2. Drei Möglichkeiten zur Implementierung der Dimmfunktion.
2/2008 - elektor
10k
PWM
< 5kHz
Schaltung wird das PWM-Signal an den
Enable Pin EN angelegt, um mittels
Tastverhältnis den kompletten Schalt­
wandler Ein- und wieder Abzuschal­
ten. Mit dieser Technik lässt sich unter
Laborbedingungen eine Dimmfrequenz
von bis zu 100 Hz realisieren. Der Vor­
teil dieser Ansteuerung ist der minima­
le zusätzliche Bauteilaufwand für die
Dimmfunktion. Außerdem ist das die
energieeffizienteste Implementierung,
da der Schaltwandler in den Einschalt­
pausen nahezu keinen Eigenstromver­
brauch aufweist. Nachteilig ist, dass die
LED beim Anlegen einer Spannung an
den Enable-Pin nur verzögert anspricht.
Das liegt daran, dass der Schaltregler
durch die Sanftstartfunktion mit leich­
ter Verzögerung startet.
Nach dem Start steigt dann der Aus­
gangsstrom wie eine Rampe an, bis
er den Nennwert des LED-Stroms er­
reicht. Dieser Anstieg kann in manchen
Anwendungen Probleme bereiten, da
bei langsam ansteigendem Strom vom
Minimalwert zum Nominalwert auch
die von der LED abgestrahlte Wellen­
länge variiert. Probleme kann dies bei­
spielsweise bei der Ansteuerung von
LEDs in einem DLP Projektor oder bei
der LED-Hinterleuchtung eines LCDFernsehers verursachen. Bei der hier
53
power-leds
+3V3
größer der Fehlerverstärkereingang
übersteuert und somit die LED ausge­
schaltet werden. Da diese Schaltung
beim Dimmen nicht die Einschaltver­
zögerung des Enable-Eingangs und
auch nicht die Sanftanlauf-Startzeit
durchlaufen muss, ist die LED sehr
schnell ein- bzw. abschaltbar. Somit
ist auch die zuvor beschriebene Wel­
lenlängenverschiebung bei langsam
ansteigendem Strom in dieser Schal­
tung vernachlässigbar gering. Hinzu
kommt, dass die Dimmfrequenz unter
Laborbedingungen auf bis zu 5 kHz ge­
steigert werden konnte.
Die dritte Möglichkeit ist in Bild 2 blau
dargestellt. Hier wird das PWM Signal
an einen zur LED parallel geschalte­
ten MOSFET angelegt. Dieser MOSFET
überbrückt die LED und erlaubt ein noch
schnelleres Ein- und Ausschalten der
LED, da der Regler im Konstantstrom­
betrieb verweilt, wobei der Konstant­
strom entweder über die LED oder über
den MOSFET fließt. Als Nachteile dieser
Lösung sind die zusätzlichen Kosten für
den MOSFET und die schlechtere Effi­
zienzausbeute zu nennen, da die Ver­
lustleistung am 2-Ω-Strommesswider­
stand von 180 mW dauerhaft entsteht.
Der Vorteil ist die hohe Schaltgeschwin­
digkeit. Unter Laborbedingungen konn­
+3V3
+3V3
+3V3
JP1
R5
47k
C2
100n
JP2
23
C3
VCC
5
10n
6
7
8
10
11
ENCODER
R1
24
4
3
TEST
U1
P2.0/ACLK/CA2
P1.7/TA2/TDO/TDI
P2.1/INCLK/CA3
P1.6/TA1/TDI/TCLK
P2.2/CAOUT/TA0/CA4
P1.5/TA0/TMS
P2.3/TA1/CA0
P1.4/SMCLK/TCK
P2.4/TA2/CA1
P1.3/TA2
P2.5/CA5
P1.2/TA1
XIN/P2.6/CA6
P1.1/TA0
XOUT/P2.7/CA7
P1.0/TACLK
22
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
21
20
18
17
16
NET-DIMM_LED1
15
NET-DIMM_LED2
14
NET-DIMM_LED3
13
NET-EN
MSP430F2131IRGE
R4
R6
PwPd
100k
VSS
100k
100k
R3
NMI/RST
1
2
070892 - 13
Bild 3. Schaltung des Steuerteils mit dem Mikrocontroller MSP430 und JTAG-Anschluss (JP1), EZ430-Anschluss (JP2) und
Inkrementalgeber.
zu Demozwecken realisierten Schal­
tung ist der Effekt jedoch mit dem
Auge nicht wahrnehmbar.
In der zweiten Variante (rot dargestell­
ter Teil in Bild 2) wird das PWM-Signal
über eine Kleinsignaldiode entkoppelt
an den Fehlerverstärkereingang des
TPS62260 gelegt. Durch diese Imple­
mentierung kann beim Anlegen einer
positiven Spannung von 600 mV oder
TP12
+5V
2
Vin
4
C12
C13
22µ
4µ7
VIN
SW
1
rot
L11
U11
TPS62260
EN
DRV
GND
FB
3
2
6
Vin
R11
4
10k
PwPd
VIN
D14
1
600mV
MODE
5
R12
C11
C22
C23
22µ
4µ7
2Ω
5
TP22
+5V
7
4µ7
SW
grün
L21
1
U21
TPS62260
EN
DRV
GND
FB
R21
3
10k
PwPd
6
7
4µ7
TP23
TP21
D13
R13
NET-DIMM
_LED1
10k
NET-EN
TS4148RY
NET-DIMM
_LED2
10k
NET-EN
TS4148RY
2
Vin
4
C33
VIN
SW
1
blau
L31
U31
TPS62260
DRV
GND
6
D34
1
FB
3
R31
R32
C31
7
4µ7
3
4µ7
R12, R22, R32 = 2Ω
300mA
R12, R22, R32 = 1Ω69
350mA
TP33
TP31
R33
D33
10k
NET-EN
330 Ω
2
1
10k
PwPd
+3V3
R2
J1
600mV
MODE
EN
+5V
Vin max < 6V
C4
D1
C1
2Ω
5
22µ
D23
R23
TP32
+5V
C32
R22
C21
TP13
TP11
D24
1
600mV
MODE
2Ω
praxis
22µ
4µ7
BZX84-C3V3
NET-DIMM
_LED3
TS4148RY
070892 - 14
Bild 4. Schaltungsteil mit den drei Schaltreglern als Konstantstromquellen und der diskret aufgebauten 3,3-V-Stabilisierung.
54
elektor - 2/2008
Kleine LED-Geschichte
Hieran wurde und wird seit über 40 Jahren geforscht und entwickelt.
Die Geschichte der Light Emitting Diode (LED), auch Lumineszenzdiode
oder gemeinhin Leuchtdiode genannt, begann im Jahre 1962 bei General Electric (GE). Dort wurde die erste rot strahlende LED kommerziell produziert und auch vertrieben. Die Kunden mussten sich jedoch
mit einer sehr mageren Lichtausbeute zufrieden geben. Eine damalige
LED hatte eine Lichtausbeute von lediglich 0,1 lm/W, was einem Wirkungsgrad von lediglich 0,1 % entspricht. Als Ausgangsmaterial kam
bei dieser LED ein Mischkristall aus Galliumarsenid und Galliumphosphid zum Einsatz. Seitdem hat sich auf dem LED-Markt viel getan.
Viele weitere Hersteller haben begonnen, die Technik der LED voranzutreiben und bei gleich bleibendem Stromverbrauch die Leuchtstärke
stetig zu steigern.
Um die Leuchtdiode als Lichtquelle in großem Stil nutzen zu können,
musste sowohl die Effizienz als auch die elektrische und thermische
Belastbarkeit weiter erhöht werden. Gleichzeitig galt es, den Preis der
LEDs deutlich zu senken, um sie auf breiter Front einsetzen zu können.
te mit dem TPS62260 in dieser Konfigu­
ration eine Dimmfrequenz von bis zu
50 kHz (!) realisiert werden.
Praktische Schaltung
Das Herzstück der Schaltung (Bild 3
und Bild 4) bildet ein Mikrocontroller
MSP430F2131, der als 3-facher PWMGenerator programmiert ist und den
Inkrementalgeber (R1) auswertet. Der
Inkrementalgeber wird verwendet,
MSP430-Mikrocontroller haben verschiedene integrierte Taktquellen.
So kann in der MSP430-Software zwischen Oszillatoren mit externem
Quarz und komplett integrierten RC-Oszillatoren gewählt werden. Um
die Kosten der Schaltung gering zu halten, wurde auf externe Komponenten verzichtet und der integrierte und kalibrierte RC-Oszillator
verwendet.
Realisierung der 3-fach-PWM
Das Timer_A-Modul des MSP430 besteht aus einem Zähler-Block und
aus verschiedenen Capture&Compare-Blöcken. Die Frequenz der erzeugten PWM-Signale wird durch den Zählerüberlauf definiert. Da es
sich beim Timer_A-Zähler um einen 16-bit-Zähler handelt, beträgt die
PWM Frequenz:
f input
16
2
=
8 MHz
= 122, 07 Hz
65536
f PWM : PWM Signalfrequenz
finput : Frequenz des Timer _ A − Eingangstaktes
Wiederholt man diese Berechnung mit den oben ermittelten minimalen
und maximalen Frequenzen, so erhält man die maximale Abweichung
der PWM-Frequenz.
119 Hz < f PWM < 125 Hz
2/2008 - elektor
Die Lichtausbeute der heute käuflichen LEDs hat sich auf 20 lm/W
(teilweise sogar 40 lm/W) erhöht. Dies entspricht einem Wirkungsgrad
von 5 % beziehungsweise 10 %. Dieser Wirkungsgrad liegt deutlich
höher als der einer handelsüblichen Edison-Glühbirne. Bei dieser beträgt die Lichtausbeute lediglich ca. 10 lm/W, was einem Wirkungsgrad von nur 2 % entspricht. Sehr helle LEDs übertreffen schon heute
Halogenlampen (ca. 25 lm/W) und wahrscheinlich bald auch Energiesparlampen (ca. 60 lm/W).
um aus einer Tabelle Tastverhältnisse
für die rote, grüne und blaue LED zu
wählen. Die dadurch eingestellten
PWM-Signale sind dann an den Aus­
gängen TA0, TA1 und TA2 verfügbar
und werden mit einer Taktfrequenz von
ca. 122 Hz ausgegeben. Dadurch ist si­
chergestellt, dass die LEDs optisch als
nicht flackernd wahrgenommen wer­
den, weil unser Auge die Einzelimpulse
zu einem Mittelwert zusammensetzt.
Für die praktische Ausführung der
Takterzeugung
f PWM =
Heute sind sehr helle Leuchtdioden zum Beispiel von Osram Opto Semiconductors (früher Infineon) mit der Bezeichnung Golden Dragon,
von Lumiled (Philips Semiconductors) mit der Bezeichnung Rebel LED
und von Cree mit der Bezeichnung X-Lamp zu moderaten Preisen und
mit respektablen Lichtausbeuten zu haben. Es gibt selbstverständlich
noch viele weitere Hersteller von High-Brightness LEDs, die jedoch aus
Zeitgründen nicht alle für diesen Beitrag getestet werden konnten.
PWM-Steuerung wurde die in Bild 2 rot
dargestellte Variante ausgewählt, da
sie einen guten Kompromiss zwischen
Bauteilaufwand und Performance dar­
stellt. Jede LED (rot/D14, grün/D24
und blau/D34) wird von einem separa­
ten DC/DC-Wandler mit TPS62260 im
Konstantstrombetrieb angesteuert. Der
2-Ω-Widerstand legt hierbei den durch
die LED fließenden Nennstrom von
300 mA fest. Es können auch höhere
Ströme von bis zu 1 A realisiert wer­
Kalibriert bedeutet, dass Kalibrationsparameter, die im Information
Memory des MSP430 hinterlegt sind, einfach in die entsprechenden
Kontrollregister des Takt-Moduls kopiert werden. Mit diesen Kalibrationsparametern wird eine Genauigkeit der RC-Oszillatorfrequenz
von ±2,5 % über einen Temperaturbereich von 0°C bis 85°C erzielt.
Die RC-Oszillatorfrequenz liegt im Bereich von 7,8 MHz bis 8,2 MHz.
Diese Frequenz wird als Taktquelle für die CPU und für den Zähler des
Timer_A-Moduls gewählt.
Die PWM Signalerzeugung wird durch die Output Units unterstützt, die in jedem Capture&Compare-Block verfügbar sind.
Beim MSP430F2131 hat das Timer_A-Modul insgesamt drei
Capture&Compare-Blöcke und somit auch drei Output Units. Jeder einzelne Capture&Compare-Block besteht aus einem digitalen
Komparator, der einen für jeden Block definierbaren Wert (TACCR0,
TACCR1 und TACCR2) mit dem Inhalt des Zählers vergleicht. Sind die
Werte identisch, so triggert der Komparatorausgang die Output Unit,
was zu einem Setzten („1“) des jeweiligen PWM-Ausgangs führt. Das
Zurücksetzten aller PWM-Ausgänge wird mittels Software realisiert.
Ein Überlauf des 16-bit-Zählers erzeugt einen Interrupt. In der Unterbrechungsroutine werden alle PWM-Ausgänge nacheinander auf „0“
gesetzt.
Da das Zurücksetzen der einzelnen PWM-Ausgangssignale per Software erfolgt, gibt es eine Einschränkung des einstellbaren Tastverhältnisbereiches. Die Abarbeitung der Timer_A-Unterbrechungsroutine
dauert etwa 100 Zyklen. Daher sollten die verwendeten Werte in den
drei Farbtabellen-Arrays einen Wert zwischen 100 und 65535 haben.
55
praxis
power-leds
Inkrementalgeber
Die manuelle Einstellung des PWM-Tastverhältnisses erfolgt mit einem
Inkrementalgeber (Drehimpulsgeber), der in seiner Bauform einem
Potentiometer ähnelt. Er enthält aber keine Widerstandsbahn, sondern
zwei Kontakte, an denen beim Drehen der Achse ein digitaler 2-bitGray-Code abgegriffen werden kann. Der Aufbau des Inkrementalgebers ist sehr einfach. Auf zwei voneinander isolierten, leitfähigen Ringe
ist ein Schleifer mit zwei Schleifkontakten positioniert. Auf die beiden
Ringe wurde teilweise ein Isolationsmaterial aufgebracht, so dass bei
einer kontinuierlichen Drehung der Schleifer als Schalter wirkt und an
den beiden Ausgangspins einen 2-bit-Gray-Code erzeugt.
VCC
VCC
B
A
Stückliste
Widerstände (SMD 0603,
wenn nicht anders angegeben):
R2 = 330 Ω
R3,R4,R6 = 100 k
R5 = 47 k
R11,R13,R21,R23,R31,R33 = 10 k
R12,R22,R32 = 2 Ω (SMD 1206)
Kondensatoren :
C1,C11,C13,C21,C23,C31,C33 = 4µ7 /
6,3 V, X5R SMD 0603
C2 = 100 n SMD 0603
C3 = 10 n SMD 0603
C4,C12,C22,C32 = 22 μ SMD 1210
Halbleiter:
D1 = BZX84-C3V3 SMD SOT23
56
PWM1
TA1
PWM2
TA2
PWM3
MSP430F2131
RST/NMI
070892- 16
Rotation im Gegenuhrzeigersinn
Rotation im Uhrzeigersinn
+1
+1
+1
A
B
Zustand:
a
-1
b
c
d
a
-1
b
c
d
a
-1
b
c
070892 - 17
führt. Selbstverständlich könnte man die Pull-up-Widerstände auch direkt an Vcc (3,3 V) legen. P2.2 wäre dann frei für andere Aufgaben.
Induktivitäten:
L11,L21,L31 = 2,2 μH, 1,1 A, 110 mΩ,
SMD 2 mm x 2,5 mm (MIPSA2520D2R2
von FDK)
Außerdem:
R1 = Drehenkoder (Bourns 3315-001)
JP1 = 14-polige Stiftleiste, 2-reihig, mit
Die Farbtabelle ist im MSP430 in einem Array abgelegt (LookUpTable). Die Tabelle ist so gestaltet, dass sie jederzeit durch Pulsbreitenmodulationswerte für die rote, grüne und blaue LED ergänzt werden
kann. Bei jeder Drehbewegung am Drehgeber werden jeweils die im
Array für rot, grün und blau am jeweiligen Platzhalter hinterlegten
Werte eingelesen und für die Erzeugung der drei PWM-Ausgangssignale verwendet. Zurzeit sind 252 Werte hinterlegt, die sich jedoch nach
TA0
VSS
D13,D23,D33 = TS4148 RY SMD 0805
D14 = 1W LED Golden Dragon rot
(Osram)*
D23 = 1W LED Golden Dragon grün
(Osram)*
D33 = = 1W LED Golden Dragon blau
(Osram)*
U1 = MSP430F2131IRGE (TI)
U11,U21,U31 = TPS62260DRV SMD SON6 (TI)
Farbtabelle
VCC
Inkrementalgeber
Anhand der beiden Signale A und B kann eine Drehbewegung sowie
auch deren Richtung detektiert werden. Im Impulsdiagramm sind die
wiederkehrenden Zustände a, b, c und d gekennzeichnet. Wird in der
MSP430 Software eine Änderung von Zustand a nach b detektiert, so
wird der Farbtabellen-Zeiger LEDptr (LEDptr = LED Pointer) inkrementiert. Eine erkannte Änderung von Zustand b nach a resultiert in einem
Dekrementieren des Zeigers LEDptr.
Abschließend noch ein Hinweis zur Beschaltung des Inkrementalgebers: Im Schaltplan Bild 3 sind die Pull-up-Widerstände an den Kontakten nicht mit Vcc verbunden, sondern mit P2.2 (Pin 8) des MSP430.
Das ist kein Widerspruch, weil P2.2 von der Software als Ausgang mit
Highpegel geschaltet wird und deshalb eine Spannung von 3,3 V (Vcc)
P2.3
P2.4
B
Das obere Bild zeigt die Prinzipschaltung der Anbindung des Drehimpulsgebers an den Mikrocontroller, während das untere Bild das Ausgangssignal bei einer kontinuierlichen Drehung des Inkrementalgebers
darstellt.
Ein Prellen zwischen Zustand a und b würde zu einem mehrfachen Inkrementieren und Dekrementieren führen, was ein Flackern der LEDs
aufgrund der sich ändernden Einstellungen bedeuten würde. Sowohl
aus diesem Grund als auch zur Anpassung der Auflösung des Inkrementalgebers wird beim Auslesen des Arrays (der Farbtabelle) der Zeiger LEDptr durch vier geteilt.
VCC
A
Schutzkragen
JP2 = 6-polige Steckverbinder (Samtec :
TMS-106-XX-X-S-RA)
TP11..TP13,TP21..TP23,TP31..TP33 = Testpin, z.B. Keystone 5001
Kühlkörper Fischer SK 477 100
Thermisch leitendes Klebeband Fischer WLFT
404 R25
Platine 070892-2**
*LED-Alternativen:
Lumiled REBEL LED in Verbindung mit Platine
070892-1**
CREE XLAMP LED in Verbindung mit Platine
070892-3**
**Layout-Download und Bestellmöglichkeit
bei www.elektor.de
Belieben ändern lassen. Ein Dezimalwert von 100 schaltet die LED aus
und ein Wert von 65535 steuert sie voll auf, was 100-%-Pulsverhältnis
entspricht.
Nach dem Anlegen der 5-V-Betriebsspannung geht der MSP430 in den
Demonstrationsmodus, in welchem er nacheinander alle im Array hinterlegten Werte in einer Endlosschleife ausliest und ausgibt. Sobald an
dem Inkrementalgeber der Schaltung gedreht wird, kann ein individueller Farbwert eingestellt werden, der dann als Festwert im Dauerbetrieb wiedergegeben wird.
elektor - 2/2008
den, wenn man anstelle des TPS62260
den „größeren Bruder“ TPS62290 ein­
setzt, wobei das Gehäuse die Bauform
beibehält.
Das PWM-Signal wird über eine Klein­
signaldiode entkoppelt (D13, D23, D33)
und überschreibt mit der positiven
Flanke den Fehlerverstärkereingang
des jeweiligen Schaltreglers, der eine
Schwellwertspannung von 600 mV hat.
Somit wird bei anliegendem High-Pe­
gel der Fehlerverstärker überschrie­
ben und die LED erlischt. Mit der fal­
lenden Flanke des PWM-Signals star­
tet der Wandler wieder und die LED
leuchtet auf.
Die komplette Schaltung wird über ein
geregeltes 5 V/1 A-Steckernetzteil mit
Gleichspannung versorgt. Eine ein­
fache Spannungsstabilisierung mit
einem Widerstand und einer Z-Diode
reduziert die Betriebsspannung für
den Mikrocontroller MSP430 von 5 V
auf 3,3 V.
Die Schaltung wird auf der in Bild 5
gezeigten Platine aufgebaut. Die Pla­
tine gibt es in drei Ausführungen, die
sich nur im Anschlusschema (Foot­
print) der LEDs unterscheiden, um
den verschiedenen LED-Bauformen
Rechnung zu tragen. Die LED-Bestü­
ckungs-Optionen sind in der Stücklis­
te angegeben.
Bild 5. Die Platine zum Aufbau der Schaltungen in Bild 3 und Bild 4. Es gibt drei verschiedene Versionen zum Download, um drei
verschiedene LED-Typen verwenden zu können (siehe Stückliste).
Thermobilder
Von sehr großer Bedeutung ist bei
Hochleistungs-LED die Betriebstem­
peratur, die sich sehr stark auf die Le­
bensdauer, die Vorwärtsspannung,
die abgestrahlte Wellenlänge und
auch auf die Leuchtstärke der LEDs
auswirkt. Je höher die Betriebstem­
peratur der LED, desto kürzer ist die
zu erwartende mittlere Lebensdauer.
Daher wurden die Abmessungen der
Experimentierplatine so gewählt, dass
sich ein Kühlkörper vom Typ SK477100
(Fischer) mittels beidseitig klebender
Wärmetransferfolie auf die Rückseite
der Platine kleben lässt. Dadurch wird
die Temperatur bei voller Aussteue­
rung aller drei LEDs von 61 °C ohne
Kühlkörper auf 54 °C mit Kühlkörper
reduziert, wobei mit Kühlkörper auch
die Wärmeverteilung auf dem Board
sehr viel besser ausfällt.
Für das als Beispiel gezeigte Thermo­
bild wurde die mit CREE-LEDs bestück­
te Platine verwendet. Bild 6 zeigt sehr
anschaulich wie heiß die LEDs wer­
den, wenn sie ohne Kühlkörper (linke
Bildhälfte) und mit Kühlkörper (rechte
Bildhälfte) betrieben werden.
2/2008 - elektor
57
praxis
power-leds
63
60
56
52
48
44
40
36
32
28
24
°C
Bild 6. Thermobild der mit LEDs von CREE bestückten Platine. Links ohne Kühlung und rechts mit aufgeklebtem Kühlkörper.
Software
Der Quellcode der Software für den
MSP430 in dieser Applikation steht auf
der Elektor-Website zum Download zur
Verfügung. Am Anfang wird die Datei
„MSP430F21x2.h“ eingebunden. In dieser
Datei werden alle Kontrollregister-Namen
sowie die Namen deren Kontroll-Bits ent­
sprechend der MSP430-Beschreibung de­
finiert. Danach wird die Länge der Farb­
Die Autoren
Dipl. Ing. (FH) Dirk Gehrke
Dirk Gehrke (unten) geboren in Münster
(Westf.), studierte Nachrichtentechnik an der
FH Dortmund. Er begann 1998 bei Texas Instruments und war tätig als FAE (Field Application Engineer) in England, Frankreich und
den USA. Ab 2000 war er als FAE für den
Bereich Power Management Produkte in Freising tätig. Seit Januar 2006 ist er als EMEA
(Europe, Middle East and Africa) Business
Development Manager für analoge Produkte
verantwortlich.
tabelle festgelegt. Zu beachten ist hier,
dass LED_TabLength mit dem vierfachen
Wert der Tabellenlänge zu definieren ist.
Danach folgt bereits die Farbtabelle. Für
jede einzelne LED wurde hier ein eige­
nes Array angelegt. Der Zeiger LEDptr
wird verwendet, um die entsprechenden
PWM-Tastverhältnis-Einstellung für alle
drei Ausgänge aus den einzelnen Farb­
tabellen-Arrays auszulesen (siehe auch
Kasten „Farbtabelle“).
Zu Beginn des Hauptprogramms
„main“ wird der Mikrocontroller initi­
alisiert. Hier wird der Watchdog-Timer
deaktiviert, die Kalibrierwerte für den
einzustellenden Systemtakt werden
geladen, das Timer_A Modul konfigu­
riert und die gemultiplexten digitalen
Ein- und Ausgänge werden entspre­
chend initialisiert. Die Hauptschleife
besteht aus zwei „while“-Schleifen. In
der ersten „while“-Schleife wird der
Farbtabellen-Zeiger LEDptr inkremen­
tiert, was eine kontinuierliche Ände­
rung der PWM-Tastverhältnisse und
damit der eingestellten Farbe zur Fol­
ge hat. Die zeitliche Anpassung der
Tastverhältnisänderungen wurde mit
zwei ineinander verschachtelten „for“Schleifen realisiert. Die erste „while“Schleife wird solange durchlaufen, bis
der Inkrementalgeber eine Änderung
an einem seiner Ausgänge verursacht.
Danach wird die zweite „while“-Schlei­
fe, die als Endlosschleife definiert wur­
de, abgearbeitet. Hier wird der Farbta­
bellenzeiger in Abhängigkeit von der
Drehbewegung des Inkrementalgebers
inkrementiert bzw. dekrementiert.
Ausblick
Kontakt: www.ti.com/europe/csc
Dipl. Ing. (FH) Christian Hernitscheck
Christian Hernitscheck (oben) studierte an der FH Landshut Elektrotechnik
mit der Fachrichtung Mikroelektronik.
Seit 1998 ist er bei Texas Instruments als
FAE europaweit tätig mit Fokus auf die
MSP430-Mikrocontroller-Produktlinie.
Kontakt: www.ti.com/europe/csc
Die Platine bietet die Möglichkeit, zu­
sätzliche Funktionen zu implementieren.
So wurde zum Beispiel ein Stecker für die
Funkmodule des eZ430-RF2500 von Te­
xas Instruments vorgesehen. Das eZ430RF2500 Kit wird mit zwei Funkmodulen
ausgeliefert. Man kann eines dieser Mo­
dule mit einem Inkrementalgeber bestü­
cken (dafür lassen sich Testpins des Mi­
krocontrollers auf dem Funkmodul ver­
wenden) und so eine Funkverbindung
zur LED-Platine herstellen.
Die hier vorgestellte Platine ist in ers­
ter Linie als Experimentier- und Eva­
luationsboard gedacht. Da der Quell­
code für den MSP430 zur Verfügung
steht, lassen sich damit auch andere
Projekte realisieren. Auch die hier ver­
wendeten Schaltwandler können in
anderen Schaltungen zur Anwendung
kommen. Wir wünschen viel Spaß beim
Experimentieren!
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elektor - 2/2008