Wprowadzenie

W przemysłowych systemach sterowania powszechnie stosowane jest napięcie zasilania 24 V DC. Obecność/nieobecność napięcia zasilania jest najczęściej sygnalizowana diodami LED instalowanymi w urządzeniach, takich jak jednostka główna sterownika, moduły I/O i układy komunikacyjne. Diody LED zasilania pomagają zminimalizować czas instalacji, konserwacji i przestojów w systemach/podsystemach przemysłowych. Są to: programowalne sterowniki logiczne (PLC) i sterowniki rozproszonego systemu sterowania (DCS), jednostki zasilające, czujniki i siłowniki. Diody LED zasilania powinny zapalać się, gdy spełnione są określone warunki. Najczęściej jest to napięcie mieszczące się w wymaganym zakresie zasilania. Pomimo swojej koncepcyjnej prostoty, rzeczywiste implementacje nie są tak trywialne. Wymagają one komparatorów napięcia z histerezą, muszą być zasilane samodzielnie i konsekwentnie zasilać diody LED.

Dalsze wymagania dla takich obwodów są następujące:

• Niskie rozpraszanie mocy
• Światło musi być wyłączone, gdy napięcie zasilania jest poniżej minimalnego napięcia roboczego
• Intensywność światła powinna być niezmienna bez względu na napięcia zasilania
• Układ powinien tolerować przepięcia
• Odporność na błędne okablowanie, takie jak ujemne napięcia napotykane podczas odwrotnej polaryzacji

Proste obwody mogą wykazywać znaczną zależność od komponentów, temperatury i zmian napięcia.

Kontekst

Przedstawiony w artykule układ sterownika LED powstał w wyniku zmiany przeznaczenia przemysłowego cyfrowego układu wejściowego. Został on przystosowany do pełnienia odmiennej funkcji niż ta, do której był zaprojektowany. Wejścia przemysłowe, powszechnie spotykane w przemysłowych systemach sterowania, są oparte na logice 24 V i mają jasno określoną wejściową charakterystykę prądowo-napięciową, ze zdefiniowanymi wejściowymi napięciami progowymi. Prąd wejścia typu sinking (czasami nazywanego wejściem typu p) powinien wyć większy niż 2,0 mA przy maksymalnym wejściowym wysokim napięciu progowym 11 V dla wejść Type 3. Jest to najczęściej spotykany typ wejścia przemysłowego. Aby zminimalizować rozpraszanie mocy, dzisiejsze cyfrowe układy wejściowe ograniczają i ściśle regulują prąd wejściowy do poziomu nieco powyżej limitu 2,0 mA.

Pomysł

Zauważając, że poziom 2,0 mA pokrywa się z powszechnymi prądami sterującymi diodami LED i że przemysłowe wejścia cyfrowe mają jasno zdefiniowane progi przełączania, nasuwa się pytanie, czy układ taki jak jednokanałowe wejście cyfrowe MAX22191 byłby odpowiedni do monitorowania zasilania i sterowania diodami LED? Ten przemysłowy układ wejściowy został zaprojektowany do sterowania optoizolatorem poprzez jego wyprowadzenie OUT. Na rys. 1 przedstawiono proponowany schemat. REXT to rezystor decydujący o prądzie płynącym z wyjścia OUT, który zawiera się w przedziale od 2,0 mA do 2,6 mA.

Rys. 1. Sterownik LED monitorujący zasilanie

Wewnętrzne źródło prądu ma tolerancję ±12,5% w odniesieniu do temperatury, napięcia wejściowego i różnic produkcyjnych między elementami. Zapewnia to niskie rozpraszanie mocy i pomijalne zmiany natężenia światła w zależności od napięcia zasilania. Dzięki zgodności źródła prądowego z napięciem wyjściowym OUT wynoszącym 5,5 V, możliwe jest zasilanie większości nowoczesnych diod LED. Prąd zasilania układu 110 µA (typowo) zapewnia niskie rozproszenie mocy rozwiązania.

Na rys. 2 przedstawiono moment włączenia diody LED. Widać, że prąd diody włącza się gwałtownie przy 9 V (typowo) i wyłącza przy 8 V (typowo), zapewniając histerezę 1 V. Maksymalne napięcie progowe włączenia i minimalne napięcie progowe wyłączenia są określone w specyfikacji układu MAX22191. Jeśli wymagane jest wyższe napięcie progowe, szeregowo z wejściem IN można umieścić rezystor RIN, jak pokazano na rysunku 3. Wartość RIN jest obliczana jako R_IN=(wzrost napięcia progowego)/I_IN.

Jak widać na rys. 2, prąd diody LED zachowuje stałą wartość przy zmianie napięcia wejściowego w stanie włączenia. Kontrastuje to z zastosowaniem prostego tranzystora bipolarnego/MOS do zasilania diody LED, który wykazuje znacznie większą zależność prądu od napięcia ze względu na napięcie polaryzujące tranzystor.

Rys. 2. Prąd diody LED w zależności od napięcia zasilania

Sterowanie diodami LED

W przypadku zastosowań, w których dioda LED musi być włączana/wyłączana układem logicznym, można wygodnie użyć wejścia TEST, jak pokazano na rys. 3. Pozwala to na implementację funkcji pomocniczych, takich jak opóźnienia włączania, miganie lub inne informacje zwrotne o stanie urządzenia.

Rys. 3. Układ z kontrolą włączania/wyłączania i podwyższonym napięciem progowym

Wytrzymałość

Rozwiązanie jest przeznaczone do użytku w zakresie temperatur pracy od -40°C do +125°C. Napięcie zasilania IN jest tolerancyjne dla szerokiego zakresu od -70 V do +60 V. Dzięki temu zapewniono pewien margines dla ochrony przeciwprzepięciowej i odporność na odwrotną polaryzację. W przypadku odwrotnego podłączenia (z ujemnym napięciem wejściowym), układ ma niski prąd wejściowy 1 µA.

Wnioski

Układ MAX22191 stanowi proste rozwiązanie do zastosowań związanych z sygnalizacją zasilania LED. Jego obudowa SOT23 i rezystor ustawiający prąd o niskiej mocy stanowią niewielki rozmiar rozwiązania.

Autor oryginału Reinhardt Wagner

Tłumaczenie i redakcja: Jarosław Doliński

Reinhardt Wagner jest inżynierem w firmie Analog Devices w Monachium w Niemczech. Początkowo w Maxim Integrated, a obecnie w grupie automatyki przemysłowej ADI, jego 21-letnia kadencja obejmowała przede wszystkim definiowanie produktów nowych układów przemysłowych w obszarach komunikacji i urządzeń wejścia/wyjścia, takich jak IO-Link, szybkie cyfrowe wejścia/wyjścia, przełączniki analogowe Beyond-the Rails™ i izolacja cyfrowa.