Ovládanie jasu pomocou LED

V niektorých prípadoch, napríklad u bateriek alebo svietidiel pre domáce osvetlenie, je potrebné upraviť jas žiara. Zdalo by sa, že je to jednoduchšie: stačí zmeniť prúd pomocou LED, zvýšiť alebo znížiť odpor obmedzujúci odpor, V tomto prípade sa však značná časť energie vynaloží na obmedzovací odpor, čo je úplne neprijateľné pri autonómnom napájaní z batérií alebo akumulátorov.

Okrem toho sa zmení aj farba LED: napríklad biela, keď je prúd nižší ako nominálny (pre väčšinu LED 20mA), bude mať mierne zelenkavý odtieň. Takáto zmena farby je v niektorých prípadoch úplne zbytočná. Predstavte si, že tieto diódy LED osvetľujú obrazovku televízora alebo monitora počítača.

Zásada regulácie PWM

V týchto prípadoch platí PWM - regulácia (šírka impulzu), Jeho význam je to svetlo-emitujúca dióda pravidelne sa rozsvieti a zhasne. V tomto prípade prúd zostáva nominálny po celú dobu záblesku, preto luminiscenčné spektrum nie je skreslené. Ak je LED dióda biela, zelené odtiene sa nezobrazia.

Okrem toho pri tejto metóde riadenia výkonu sú energetické straty minimálne, účinnosť obvodov kontrolovaných PWM je veľmi vysoká a dosahuje viac ako 90 percent.

Princíp regulácie PWM je pomerne jednoduchý a je znázornený na obrázku 1. Odlišný pomer času zapáleného a zhasnutého stavu v oku je vnímaný ako iný jas: ako vo filme - samostatne zobrazené striedavo sa snímky vnímajú ako pohyblivý obraz. Všetko záleží na frekvencii premietania, o ktorej sa bude diskutovať o niečo neskôr.

Obrázok 1. Princíp regulácie PWM

Obrázok ukazuje signálové diagramy na výstupe z ovládacieho zariadenia PWM (alebo hlavného oscilátora). Nula a jedna sú označené symbolom logické úrovne: logická jednotka (vysoká úroveň) spôsobuje, že LED svieti, logická nula (nízka úroveň), resp. vyhynutie.

Aj keď všetko môže byť opačné, pretože všetko závisí od obvodu výstupného kľúča, LED sa dá zapnúť a vypnúť, len vysoko. V tomto prípade bude mať fyzicky logická jednotka nízku úroveň napätia a logická nula bude vysoká.

Inými slovami, logická jednotka spôsobuje zahrnutie nejakej udalosti alebo procesu (v našom prípade LED osvetlenie) a logická nula by mala tento proces deaktivovať. To znamená, že nie vždy vysoká úroveň na výstupe digitálneho mikroobvodu je jednotka LOGIC, všetko záleží na tom, ako je konkrétny obvod vybudovaný. Toto slúži len pre informáciu. Teraz však predpokladáme, že kľúč je ovládaný vysokou úrovňou a jednoducho to nemôže byť inak.

Frekvencia a šírka riadiacich impulzov

Je potrebné poznamenať, že perióda opakovania impulzu (alebo frekvencia) zostáva nezmenená. Frekvencia impulzov však vo všeobecnosti neovplyvňuje jas žiarenia, preto neexistujú žiadne špeciálne požiadavky na stabilitu frekvencie. Zmení sa iba doba (WIDTH) pozitívneho impulzu, vďaka ktorej funguje celý mechanizmus modulácie šírka impulzu.

Trvanie kontrolných impulzov na obrázku 1 je vyjadrené v %%. Toto je takzvaný „faktor vyplnenia“ alebo v anglickej terminológii DUTY CYCLE. Vyjadruje sa ako pomer trvania riadiaceho impulzu k perióde opakovania impulzu.

V ruštine sa obvykle používa terminológia „Pracovný cyklus“ - pomer periódy k časovému impulzua. Ak je faktor plnenia 50%, potom pracovný cyklus bude 2.Nie je tu žiadny zásadný rozdiel, preto môžete použiť ktorúkoľvek z týchto hodnôt, pre ktorú je pohodlnejšia a zrozumiteľnejšia.

Tu by sme samozrejme mohli dať vzorce na výpočet pracovného cyklu a DUTY CYCLE, ale aby sme nekomplikovali prezentáciu, vyhneme sa vzorcom. V extrémnych prípadoch Ohmov zákon. Nedá sa urobiť nič: „Vy nepoznáte Ohmov zákon, zostaňte doma!“ Ak sa niekto o tieto vzorce zaujíma, možno ich vždy nájsť na internete.

Frekvencia PWM pre stmievač

Ako je uvedené vyššie, na stabilitu pulznej frekvencie PWM nie sú kladené žiadne osobitné požiadavky: nuž, trochu „vznáša“ a je v poriadku. Mimochodom, takáto nestabilita frekvencie je pomerne veľká, radiče PWM na základe integrovaného časovača NE555to nezasahuje do ich použitia v mnohých dizajnoch. V tomto prípade je dôležité len to, aby táto frekvencia neklesla pod určitú hodnotu.

Aká by mala byť frekvencia a aká nestabilná môže byť? Nezabudnite, že hovoríme o stmievačoch. Vo filmovej technológii existuje pojem „kritická frekvencia blikania“. Toto je frekvencia, pri ktorej sú jednotlivé obrázky zobrazené jeden po druhom vnímané ako pohyblivý obraz. Pre ľudské oko je táto frekvencia 48 Hz.

Z tohto dôvodu frekvencia snímania filmu bola 24 snímok / s (televízny štandard 25 snímok / s). Ak chcete zvýšiť túto frekvenciu na kritické, filmové projektory používajú dvojitý uzáver (uzáver), ktorý dvakrát prekrýva každý zobrazený rám.

V amatérskych projektoroch s úzkym filmom 8 mm bola projekčná frekvencia 16 snímok / s, takže uzávierka mala až tri čepele. Rovnakému účelu v televízii slúži skutočnosť, že obraz je zobrazený v polovičných rámcoch: najprv párne a potom nepárne riadky obrázka. Výsledkom je blikajúca frekvencia 50 Hz.

Prevádzka LED v režime PWM je samostatným bleskom s nastaviteľnou dobou trvania. Aby oko mohlo tieto záblesky vnímať ako nepretržité žiarenie, ich frekvencia nesmie byť menšia ako kritická. Toľko, koľko chcete, ale žiadnym spôsobom nižšie. Tento faktor by sa mal zohľadniť pri vytváraní PWM - regulátory pre armatúry.

Mimochodom, rovnako ako zaujímavý fakt: vedci nejako určili, že kritická frekvencia pre včelie oko je 800 Hz. Včela preto vidí film na obrazovke ako sekvenciu jednotlivých obrázkov. Aby mohla vidieť pohyblivý obraz, bude potrebné zvýšiť projekčnú frekvenciu na osemsto pol snímok za sekundu!

Funkčná schéma ovládača PWM

Na ovládanie skutočnej LED sa používa tranzistorový kľúčový stupeň, V súčasnosti sa na tento účel najčastejšie používa tranzistory mosfet, čo vám umožňuje dochádzať k značnej sile (použitie konvenčných bipolárnych tranzistorov na tieto účely sa považuje za jednoducho neslušné).

Takáto potreba (výkonný tranzistor MOSFET) vzniká s veľkým počtom LED diód, napríklad s pomocou LED pásika, o ktorej sa bude diskutovať neskôr. Ak je energia nízka - pri použití jednej - dvoch LED diód, môžete použiť klávesy pri nízkej spotrebe bipolárne tranzistorya ak je to možné, pripojte LED priamo k výstupom mikroobvodov.

Obrázok 2 zobrazuje funkčnú schému ovládača PWM. Ako riadiaci prvok je rezistor R2 obvykle znázornený na diagrame. Otáčaním jeho rukoväte je možné meniť pracovný cyklus riadiacich impulzov v požadovaných medziach, a tým aj jas LED diód.

Obrázok 2. Funkčná schéma ovládača PWM

Obrázok ukazuje tri reťazce sériovo zapojených LED diód s obmedzovacími odpormi. Približne rovnaké pripojenie sa používa v pásmach LED. Čím dlhšia je páska, tým viac diód LED je, tým väčšia je aktuálna spotreba.

V týchto prípadoch je to mocné regulátory tranzistorov MOSFET, ktorého povolený odtokový prúd by mal byť o niečo väčší ako prúd spotrebovaný páskou. Posledne uvedená požiadavka je splnená pomerne ľahko: napríklad tranzistor IRL2505 má odtokový prúd asi 100 A, odtokové napätie 55 V, zatiaľ čo jeho veľkosť a cena sú dostatočne atraktívne na použitie v rôznych prevedeniach.

Hlavné oscilátory PWM

Ako hlavný oscilátor PWM možno použiť mikrokontrolér (najčastejšie v priemyselných podmienkach) alebo obvod vyrábaný na mikroobvodoch malého stupňa integrácie. Ak sa má doma vyrábať malé množstvo PWM regulátorov, ale nie sú žiadne skúsenosti s výrobou mikrokontrolérov, je lepšie vytvoriť regulátor toho, čo je teraz po ruke.

Môže to byť logický čip série K561, integrovaný časovač NE555ako aj špecializované mikročipy určené pre spínacie zdroje, V tejto úlohe môžete dokonca pracovať operačný zosilňovačpo namontovaní nastaviteľného generátora na to, ale možno je to „z lásky k umeniu“. Preto sa budú zvažovať iba dve schémy nižšie: najbežnejšie na časovači 555 a na radiči UPS UC3843.

Schéma hlavného oscilátora na časovači 555

Obrázok 3. Schéma hlavného oscilátora

Tento obvod je pravidelný generátor štvorcovej vlny, ktorého frekvencia je nastavená kondenzátorom C1. Kondenzátor sa nabíja cez obvod „Výstup - R2 - RP1-C1 - spoločný vodič“. V tomto prípade musí mať výstup vysoké napätie, ktoré je rovnocenné so skutočnosťou, že výstup je pripojený k kladnému pólu zdroja energie.

Kondenzátor sa vybíja cez obvod "C1 - VD2 - R2 - Výstup - spoločný vodič" v čase, keď je výstup nízke napätie, - výstup je pripojený k spoločnému vodiču. Tento rozdiel v dráhach náboja - vybíjanie kondenzátora s nastaveným časom - poskytuje impulzy s nastaviteľnou šírkou.

Malo by sa poznamenať, že diódy, dokonca rovnakého typu, majú rôzne parametre. V tomto prípade hrá ich elektrická kapacita úlohu, ktorá sa mení pod vplyvom napätia na diódy. Preto sa spolu so zmenou pracovného cyklu výstupného signálu mení aj jeho frekvencia.

Hlavná vec je, že sa nestane menšou ako kritická frekvencia, ktorá bola uvedená vyššie. Inak budú namiesto jednotnej žiary s rôznym jasom viditeľné jednotlivé záblesky.

Približne (opäť na vine sú diódy) sa frekvencia generátora môže určiť podľa vzorca uvedeného nižšie.

Frekvencia generátora PWM na časovači 555.

Ak nahradíme kondenzátorovú kapacitu vo farádach vo vzorci, odpor v Ohmoch, potom by výsledok mal byť v Hz Hz: zo systému SI sa nikam nemôžete dostať! Rozumie sa, že motor RP1 s premenlivým odporom je v strednej polohe (vo vzorci RP1 / 2), čo zodpovedá výstupnému signálu tvaru meandru. Na obrázku 2 je to presne tá časť, kde je vyznačená doba trvania impulzu 50%, čo je ekvivalentné signálu s pracovným cyklom 2.

Hlavný oscilátor PWM na čipe UC3843

Jeho obvod je znázornený na obrázku 4.

Obrázok 4. Schéma hlavného oscilátora PWM na čipe UC3843

Čip UC3843 je riadiaci radič PWM na prepínanie napájacích zdrojov a používa sa napríklad v počítačových zdrojoch vo formáte ATX. V tomto prípade sa typická schéma jeho začlenenia mierne zmení v smere zjednodušenia. Na riadenie šírky výstupného impulzu sa na vstup obvodu privádza regulačné napätie s kladnou polaritou a na výstupe sa získa signál PWM modulovaný šírkou impulzu.

V najjednoduchšom prípade môže byť regulačné napätie privádzané pomocou variabilného odporu s odporom 22 ... 100K. Ak je to potrebné, riadiace napätie sa dá získať napríklad z analógového svetelného senzora vyrobeného na fotorezistore: čím tmavšie je okno, tým je miestnosť jasnejšia.

Riadiace napätie pôsobí na výstup PWM, takže pri jeho poklese sa zväčšuje šírka výstupného impulzu, čo nie je vôbec prekvapujúce.Počiatočným účelom čipu UC3843 je napokon stabilizácia napätia napájacieho zdroja: ak výstupné napätie klesne as tým aj regulačné napätie, musíte podniknúť opatrenia (zväčšiť šírku výstupného impulzu), aby ste mierne zvýšili výstupné napätie.

Regulačné napätie v napájacích zdrojoch sa spravidla generuje pomocou zenerových diód. Najčastejšie je TL431 alebo podobne.

Pri hodnotách častí uvedených v diagrame je frekvencia generátora približne 1 KHz a na rozdiel od generátora na časovači 555 „neplaví“, keď sa mení pracovný cyklus výstupného signálu - obavy o stálosť frekvencie spínaných zdrojov energie.

Na reguláciu významného výkonu, napríklad LED pásika, by sa na výstup mal pripojiť kľúčový stupeň tranzistora MOSFET, ako je to znázornené na obrázku 2.

Bolo by možné hovoriť viac o regulátoroch PWM, ale zatiaľ sa o tom budeme zaoberať av ďalšom článku sa budeme zaoberať rôznymi spôsobmi pripojenia LED. Koniec koncov, nie všetky metódy sú rovnako dobré, existujú aj tie, ktorým by sa malo vyhnúť a pri pripojovaní diód LED existuje len dosť chýb.

Pokračovanie článku:Dobré a zlé vzory zapojenia LED

Boris Aladyshkin

Comments

[#1]

Vďaka za info. Veľmi užitočné a relevantné.

[#2]

Je lepšie regulovať podsvietenie monitorov bez PWM. A čo zmení odtieň - dá sa opraviť maticou, je to lepšie ako pokaziť víziu PWM.

[#3]

Áno, táto vec je zaujímavá, iba v niektorých prípadoch začne BP „spievať“. Navyše, na maximum a minimum, takmer „nespieva“ a v strednej polohe sa vyskytli prípady, ktoré už majú uši. Inteligentní ľudia, ktorým sme len neodporúčali: Na výstup umiestnite výkonné kondenzátory, zväčšite prierez vodičov, zaveďte účinnejšie napájanie, zabalte slušného induktora, umiestnite filter na výstup PWM - na jedno miesto, pretože to vrčalo a vrčalo. Nejako bol jeden projekt, ktorý chcel zákazník na rozpätí, asi 30 metrov, vyrobiť 3 zóny podsvietenia, ktoré by boli riadené nezávisle od seba, a nastavovací blok by bol v elektrickom paneli, a na krútenej dvojici by mal prísť na dosku PWM v každom LED lampa, na doske bol dvojitý mikrospínač, ktorý nastavil príslušnosť k požadovanej zóne. Každá lampa mala svoju vlastnú napájaciu jednotku (Mean Well S 250-12). Okruh bol riadený jedným spoločným ovládačom, zóny boli prepínané a každá mala svoju vlastnú úroveň osvetlenia, takže keď sme ju zapli, nebolo to tak, že to nebolo možné v miestnosti, ale chcel som odtiaľ utiecť. Vysokofrekvenčné vŕzanie bolo, že nebolo pohodlné byť v prázdnej miestnosti. Keď sme „namáhali“ nášho vývojára, vyriešil problém iba tretíkrát, teda „kremenením“, a zvýšil hodinovú frekvenciu regulátorov v každej žiarovke. A potom, ako babička zašepkala, ticho a strach. Ale sám som zostavil dosky s plošnými spojmi pre 555 a kúpil som si hotové výrobky av rôznych situáciách sa správali inak bez ohľadu na záťažový zdroj a výrobcu zdroja energie, niektorí vŕzgajú, iní nie. Ak má niekto skúsenosť s riešením tohto problému, bolo by zaujímavé vypočuť si názor.

[#4]

Ďakujem!