Kontrola jasności LED

W niektórych przypadkach, na przykład w latarkach lub oprawach domowych, konieczne jest dostosowanie jasności blasku. Wydawałoby się, że jest łatwiej: wystarczy zmienić prąd przez diodę LED, zwiększając lub zmniejszając rezystor ograniczający rezystancję. Ale w tym przypadku znaczna część energii zostanie przeznaczona na rezystor ograniczający, co jest całkowicie nie do przyjęcia w przypadku autonomicznego zasilania z baterii lub akumulatorów.

Ponadto zmieni się kolor diod LED: na przykład biały, gdy prąd jest niższy niż nominalny (dla większości diod 20mA) będzie miał lekko zielonkawy odcień. Taka zmiana koloru w niektórych przypadkach jest całkowicie bezużyteczna. Wyobraź sobie, że te diody LED oświetlają ekran telewizora lub monitora komputerowego.

Zasada PWM - regulacja

W takich przypadkach należy zastosować PWM - regulacja (szerokość impulsu). Ma to takie znaczenie LED okresowo zapala się i gaśnie. W takim przypadku prąd pozostaje nominalny przez cały czas błysku, dlatego spektrum luminescencji nie jest zniekształcone. Jeśli dioda LED jest biała, zielone odcienie nie pojawią się.

Ponadto przy tej metodzie sterowania mocą straty energii są minimalne, wydajność obwodów z kontrolą PWM jest bardzo wysoka, osiągając ponad 90 procent.

Zasada kontroli PWM jest dość prosta i jest pokazana na rycinie 1. Inny stosunek czasu stanu zapalonego i zgaszonego w oku postrzegany jest jako inna jasność: jak w filmie - wyświetlane oddzielnie na przemian klatki są postrzegane jako ruchomy obraz. Wszystko zależy od częstotliwości projekcji, która zostanie omówiona nieco później.

Rysunek 1. Zasada regulacji PWM

Rysunek pokazuje schematy sygnałów na wyjściu urządzenia sterującego PWM (lub oscylatora głównego). Zero i jeden są oznaczone symbolem poziomy logiczne: jednostka logiczna (wysoki poziom) powoduje świecenie diody LED, odpowiednio zero logiczne (niski poziom), wygaszenie.

Chociaż wszystko może być odwrotnie, ponieważ wszystko zależy od obwodu klucza wyjściowego, diodę LED można włączać na niskim poziomie i wyłączać, po prostu na wysokim poziomie. W takim przypadku fizycznie logiczna jednostka będzie miała niski poziom napięcia, a logiczne zero będzie wysokie.

Innymi słowy, jednostka logiczna powoduje włączenie jakiegoś zdarzenia lub procesu (w naszym przypadku miganie diody LED), a zero logiczne powinno wyłączyć ten proces. Oznacza to, że nie zawsze wysoki poziom na wyjściu mikroukładu cyfrowego jest jednostką LOGIC, wszystko zależy od budowy konkretnego obwodu. To jest dla informacji. Ale na razie zakładamy, że klucz jest kontrolowany przez wysoki poziom i po prostu nie może być inaczej.

Częstotliwość i szerokość impulsów kontrolnych

Należy zauważyć, że okres powtarzania impulsu (lub częstotliwość) pozostaje niezmieniony. Ale ogólnie częstotliwość impulsu nie wpływa na jasność blasku, dlatego nie ma specjalnych wymagań dotyczących stabilności częstotliwości. W tym przypadku zmienia się tylko czas trwania (SZEROKOŚĆ) dodatniego impulsu, dzięki czemu działa cały mechanizm modulacji szerokości impulsu.

Czas trwania impulsów kontrolnych na rysunku 1 wyrażono w %%. Jest to tak zwany „współczynnik wypełnienia” lub, w angielskiej terminologii, CYKL OBOWIĄZKOWY. Jest wyrażany jako stosunek czasu trwania impulsu kontrolnego do okresu powtarzania impulsu.

W języku rosyjskim zwykle używana jest terminologia „Cykl roboczy” - stosunek okresu do impulsu czasowegoa) Zatem jeśli współczynnik wypełnienia wynosi 50%, wówczas cykl pracy wyniesie 2.Nie ma tutaj zasadniczej różnicy, dlatego możesz użyć dowolnej z tych wartości, dla których jest to wygodniejsze i zrozumiałe.

Tutaj oczywiście można podać wzory do obliczania cyklu pracy i CYKLU OBOWIĄZKOWEGO, ale aby nie komplikować prezentacji, obejdziemy się bez wzorów. W skrajnych przypadkach prawo Ohma. Nic nie można zrobić: „Nie znasz prawa Ohma, zostań w domu!” Jeśli ktoś jest zainteresowany tymi formułami, zawsze można je znaleźć w Internecie.

Częstotliwość PWM dla ściemniacza

Jak wspomniano powyżej, nie ma specjalnych wymagań dotyczących stabilności częstotliwości impulsu PWM: cóż, trochę „unosi się” i jest w porządku. Nawiasem mówiąc, taka niestabilność częstotliwości jest dość duża, jak twierdzą kontrolery PWM oparty na zintegrowanym zegarze NE555które nie kolidują z ich użyciem w wielu projektach. W takim przypadku ważne jest tylko, aby częstotliwość ta nie spadła poniżej określonej wartości.

Jaka powinna być częstotliwość i jak niestabilna może być? Nie zapominaj, że mówimy o ściemniaczach. W technologii filmowej istnieje termin „krytyczna częstotliwość migotania”. Jest to częstotliwość, z jaką poszczególne zdjęcia wyświetlane jeden po drugim są postrzegane jako obraz ruchomy. Dla ludzkiego oka częstotliwość ta wynosi 48 Hz.

Z tego powodu częstotliwość nagrywania na filmie wynosiła 24 klatki / sek. (Standard telewizyjny 25 klatek / sek.). Aby zwiększyć tę częstotliwość do wartości krytycznej, projektory filmowe używają migawki o dwóch ostrzach (migawki), która dwukrotnie zachodzi na każdą wyświetlaną klatkę.

W amatorskich projektorach wąskopasmowych 8 mm częstotliwość projekcji wynosiła 16 klatek / s, więc migawka miała aż trzy ostrza. Ten sam cel w telewizji służy temu, że obraz jest wyświetlany w półramkach: najpierw parzyste, a następnie nieparzyste linie obrazu. Rezultatem jest częstotliwość migotania 50 Hz.

Działanie diody LED w trybie PWM to osobny błysk o regulowanym czasie trwania. Aby te błyski były postrzegane przez oko jako ciągły blask, ich częstotliwość musi być nie mniejsza niż krytyczna. Tyle, ile chcesz, ale nie w żaden sposób poniżej. Czynnik ten należy wziąć pod uwagę podczas tworzenia PWM - regulatory do opraw.

Nawiasem mówiąc, jako interesujący fakt: naukowcy w jakiś sposób ustalili, że częstotliwość krytyczna dla oka pszczoły wynosi 800 Hz. Dlatego pszczoła widzi film na ekranie jako sekwencję pojedynczych zdjęć. Aby mogła zobaczyć ruchomy obraz, częstotliwość projekcji musi zostać zwiększona do ośmiuset pół klatek na sekundę!

Schemat działania kontrolera PWM

Do sterowania rzeczywistą diodą LED służy stopień klucza tranzystora. Ostatnio najczęściej używany do tego celu tranzystory mosfet, umożliwiając dojazd do znacznej mocy (użycie konwencjonalnych tranzystorów bipolarnych do tych celów jest uważane za po prostu nieprzyzwoite).

Taka potrzeba (potężny tranzystor MOSFET) pojawia się przy dużej liczbie diod LED, na przykład za pomocą paska LED, które zostaną omówione później. Jeśli moc jest niska - przy użyciu jednej - dwóch diod LED, możesz użyć klawiszy o niskiej mocy tranzystory bipolarne, i jeśli to możliwe, podłącz diody LED bezpośrednio do wyjść mikroukładów.

Rysunek 2 pokazuje schemat funkcjonalny kontrolera PWM. Jako element sterujący rezystor R2 jest konwencjonalnie pokazany na schemacie. Obracając uchwytem można zmieniać cykl pracy impulsów sterujących w wymaganych granicach, a tym samym jasność diod LED.

Rysunek 2. Schemat działania kontrolera PWM

Rysunek pokazuje trzy łańcuchy diod LED połączonych szeregowo z rezystorami ograniczającymi. W przybliżeniu to samo połączenie stosuje się w taśmach LED. Im dłuższa taśma, tym więcej diod LED, tym większy pobór prądu.

To w tych przypadkach jest tak potężny regulatory na tranzystorach MOSFET, którego dopuszczalny prąd spustowy powinien być nieco większy niż prąd pobierany przez taśmę. To ostatnie wymaganie jest spełnione dość łatwo: na przykład tranzystor IRL2505 ma prąd drenujący około 100A, napięcie drenujące 55V, a jego rozmiar i cena są wystarczająco atrakcyjne do zastosowania w różnych konstrukcjach.

Oscylatory PWM

Mikrokontroler (najczęściej w warunkach przemysłowych) lub obwód wykonany na mikroukładach o niewielkim stopniu integracji może być wykorzystywany jako główny oscylator PWM. Jeśli w domu ma produkować niewielką ilość regulatorów PWM, ale nie ma doświadczenia w tworzeniu urządzeń mikrokontrolerów, lepiej jest zrobić regulator na tym, co jest pod ręką.

Może to być układ logiczny z serii K561, zintegrowany zegar NE555a także specjalne mikroczipy zaprojektowane dla przełączanie zasilaczy. W tej roli możesz nawet pracować wzmacniacz operacyjnypo zamontowaniu na nim regulowanego generatora, ale może to „być z miłości do sztuki”. Dlatego tylko dwa schematy zostaną rozważone poniżej: najbardziej powszechny w zegarze 555 i sterowniku UPS UC3843.

Schemat oscylatora głównego na zegarze 555

Rysunek 3. Schemat oscylatora głównego

Obwód ten jest zwykłym generatorem fali kwadratowej, którego częstotliwość jest ustalana przez kondensator C1. Kondensator jest ładowany przez obwód „Wyjście - R2 - RP1-C1 - wspólny przewód”. W takim przypadku wyjście musi mieć napięcie wysokiego poziomu, co jest równoważne z tym, że wyjście jest podłączone do bieguna dodatniego źródła zasilania.

Kondensator jest rozładowywany przez obwód „C1 - VD2 - R2 - Wyjście - wspólny przewód” w czasie, gdy na wyjściu jest niskie napięcie, - wyjście jest podłączone do wspólnego przewodu. Ta różnica w ścieżkach ładowania - rozładowanie kondensatora regulującego czas - zapewnia impulsy o regulowanej szerokości.

Należy zauważyć, że diody, nawet tego samego typu, mają różne parametry. W tym przypadku ich pojemność elektryczna odgrywa rolę, która zmienia się pod wpływem napięcia na diody. Dlatego wraz ze zmianą cyklu roboczego sygnału wyjściowego zmienia się również jego częstotliwość.

Najważniejsze jest to, że nie staje się ona mniejsza niż częstotliwość krytyczna, o której wspomniano powyżej. W przeciwnym razie zamiast jednolitego blasku o różnej jasności widoczne będą pojedyncze błyski.

W przybliżeniu (znowu diody mają winić) częstotliwość generatora można określić za pomocą poniższego wzoru.

Częstotliwość generatora PWM na zegarze 555.

Jeśli podstawimy pojemność kondensatora w faradach we wzorze, oporność w omach, wynik powinien wynosić Hz Hz: nie można uzyskać nigdzie z układu SI! Rozumie się, że silnik z opornikiem zmiennym RP1 znajduje się w położeniu środkowym (we wzorze RP1 / 2), co odpowiada sygnałowi wyjściowemu o kształcie meandra. Na rysunku 2 jest to dokładnie ta część, w której wskazany jest czas trwania impulsu 50%, co jest równoważne sygnałowi z cyklem roboczym 2.

Główny oscylator PWM na układzie UC3843

Jego obwód pokazano na rysunku 4.

Ryc. 4. Schemat oscylatora PWM na układzie UC3843

Układ UC3843 jest kontrolerem PWM do przełączania zasilaczy i jest wykorzystywany na przykład w źródłach komputerowych w formacie ATX. W tym przypadku typowy schemat jego włączenia jest nieco zmieniony w kierunku uproszczenia. Aby kontrolować szerokość impulsu wyjściowego, na wejście obwodu przykłada się napięcie regulacyjne o dodatniej polaryzacji, a następnie na wyjściu uzyskuje się sygnał PWM o modulowanej szerokości impulsu.

W najprostszym przypadku napięcie regulacyjne można przyłożyć za pomocą rezystora zmiennego o rezystancji 22 ... 100 K. W razie potrzeby napięcie kontrolne można uzyskać na przykład z analogowego czujnika światła wykonanego na fotorezystorze: im ciemniejsze okno, tym jaśniejsze pomieszczenie.

Napięcie sterujące działa na wyjście PWM, więc gdy maleje, szerokość impulsu wyjściowego rośnie, co wcale nie jest zaskakujące.W końcu początkowym celem układu UC3843 jest ustabilizowanie napięcia zasilacza: jeśli napięcie wyjściowe spadnie, a wraz z nim napięcie regulacyjne, wówczas należy podjąć środki (zwiększyć szerokość impulsu wyjściowego), aby nieco zwiększyć napięcie wyjściowe.

Napięcie regulacyjne w zasilaczach generowane jest z reguły za pomocą diod Zenera. Najczęściej tak jest TL431 lub tym podobne.

Przy wartościach nominalnych części wskazanych na schemacie częstotliwość generatora wynosi około 1 KHz iw przeciwieństwie do generatora na zegarze 555, nie „unosi się”, gdy zmienia się cykl roboczy sygnału wyjściowego - obawa o stałość częstotliwości przełączania zasilaczy.

Aby wyregulować znaczną moc, na przykład pasek LED, kluczowy etap tranzystora MOSFET należy podłączyć do wyjścia, jak pokazano na ryc. 2.

Można by mówić więcej o regulatorach PWM, ale na razie rozwiążmy to, aw następnym artykule rozważymy różne sposoby podłączenia diod LED. W końcu nie wszystkie metody są równie dobre, są takie, których należy unikać, a po prostu podłącza się diody LED.

Kontynuacja artykułu:Dobre i złe wzorce okablowania LED

Boris Aladyshkin