การควบคุมความสว่าง LED

ในบางกรณีเช่นในไฟฉายหรือโคมไฟบ้านมันจำเป็นต้องปรับความสว่างของแสง ดูเหมือนว่าจะง่ายกว่า: เพียงแค่เปลี่ยนกระแสผ่าน LED เพิ่มหรือลดลง ตัวต้านทาน จำกัด ตัวต้านทาน. แต่ในกรณีนี้พลังงานส่วนสำคัญจะถูกใช้ในตัวต้านทาน จำกัด ซึ่งไม่สามารถยอมรับได้อย่างสมบูรณ์กับแหล่งจ่ายไฟอิสระจากแบตเตอรี่หรือตัวสะสม

นอกจากนี้สีของไฟ LED จะเปลี่ยนไปเช่นสีขาวเมื่อกระแสต่ำกว่าเล็กน้อย (สำหรับ LED 20mA ส่วนใหญ่) จะมีสีเขียวเล็กน้อย การเปลี่ยนสีในบางกรณีนั้นไร้ประโยชน์อย่างสมบูรณ์ ลองจินตนาการว่าไฟ LED เหล่านี้ส่องแสงหน้าจอของทีวีหรือจอคอมพิวเตอร์

หลักการของ PWM - การควบคุม

ในกรณีเหล่านี้ให้ใช้ PWM - ระเบียบ (ความกว้างพัลส์). ความหมายของมันคือ ไดโอดเปล่งแสง สว่างขึ้นเป็นระยะ ๆ และดับ ในกรณีนี้กระแสไฟยังคงอยู่ตลอดเวลาของแฟลชดังนั้นสเปกตรัมแสงไม่บิดเบี้ยว หาก LED เป็นสีขาวเฉดสีเขียวจะไม่ปรากฏขึ้น

นอกจากนี้ด้วยวิธีการควบคุมพลังงานการสูญเสียพลังงานมีน้อยมากประสิทธิภาพของวงจรควบคุม PWM นั้นสูงมากถึง 90 เปอร์เซ็นต์

หลักการของการควบคุม PWM นั้นค่อนข้างง่ายและแสดงในรูปที่ 1 อัตราส่วนต่าง ๆ ของเวลาของสภาวะแสงและดับในดวงตา ความสว่างที่แตกต่างกัน: เหมือนในภาพยนตร์ - เฟรมที่แสดงแยกต่างหากจะถูกมองว่าเป็นภาพเคลื่อนไหว ทุกอย่างขึ้นอยู่กับความถี่ของการฉายภาพซึ่งจะกล่าวถึงในภายหลัง

รูปที่ 1 หลักการของการควบคุม PWM

รูปแสดงแผนภาพสัญญาณที่เอาท์พุทของอุปกรณ์ควบคุม PWM (หรือออสซิลเลเตอร์หลัก) ศูนย์และหนึ่งจะถูกระบุโดย ระดับตรรกะ: หน่วยโลจิคัล (ระดับสูง) ทำให้ LED เรืองแสงศูนย์โลจิคัล (ระดับต่ำ) ตามลำดับการสูญพันธุ์

แม้ว่าทุกอย่างจะเป็นไปในทางตรงกันข้ามเนื่องจากทุกอย่างขึ้นอยู่กับวงจรของคีย์เอาท์พุทไฟ LED สามารถเปิดและปิดได้สูง ในกรณีนี้หน่วยทางลอจิคัลทางกายภาพจะมีระดับแรงดันไฟฟ้าต่ำและศูนย์ตรรกะจะสูง

กล่าวอีกนัยหนึ่งหน่วยทางลอจิคัลทำให้เกิดการรวมบางเหตุการณ์หรือกระบวนการ (ในกรณีของเราไฟ LED) และศูนย์โลจิคัลควรปิดใช้งานกระบวนการนี้ นั่นคือไม่ได้อยู่ในระดับสูงเสมอไปที่การส่งออกของวงจรไมโครดิจิตอลเป็นหน่วย LOGIC มันทั้งหมดขึ้นอยู่กับวิธีการสร้างวงจรเฉพาะ นี่คือข้อมูล แต่สำหรับตอนนี้เราคิดว่ากุญแจถูกควบคุมในระดับสูงและไม่สามารถเป็นอย่างอื่นได้

ความถี่และความกว้างของพัลส์ควบคุม

ควรสังเกตว่าระยะเวลาการเกิดซ้ำของพัลส์ (หรือความถี่) จะไม่เปลี่ยนแปลง แต่โดยทั่วไปแล้วความถี่พัลส์จะไม่ส่งผลต่อความสว่างของแสงดังนั้นจึงไม่มีข้อกำหนดพิเศษสำหรับความเสถียรของความถี่ เฉพาะช่วงเวลา (WIDTH) ในกรณีนี้ของการเปลี่ยนแปลงของชีพจรบวกเนื่องจากกลไกทั้งหมดของการปรับความกว้างพัลส์ทำงาน

ระยะเวลาของพัลส์ควบคุมในรูปที่ 1 แสดงเป็น %% นี่คือสิ่งที่เรียกว่า "ปัจจัยการเติม" หรือในคำศัพท์ภาษาอังกฤษ DUTY CYCLE มันจะแสดงเป็นอัตราส่วนของระยะเวลาของการควบคุมพัลส์ต่อช่วงการเกิดซ้ำของพัลส์

ในศัพท์ภาษารัสเซียมักจะใช้ "รอบการทำงาน" - อัตราส่วนของช่วงเวลาต่อเวลาของพัลส์ดังนั้นหากปัจจัยเติมคือ 50% ดังนั้นรอบการทำงานจะเป็น 2ไม่มีความแตกต่างพื้นฐานที่นี่ดังนั้นคุณสามารถใช้ค่าใด ๆ เหล่านี้ซึ่งมันสะดวกและเข้าใจได้มากขึ้น

แน่นอนที่นี่เราสามารถให้สูตรสำหรับการคำนวณรอบการทำงานและรอบหน้าที่ แต่เพื่อไม่ให้การนำเสนอมีความซับซ้อนเราจะทำโดยไม่ต้องใช้สูตร ในกรณีที่รุนแรงกฎของโอห์ม ไม่มีอะไรให้ทำ: "คุณไม่ทราบกฎของโอห์มอยู่บ้าน!" หากใครสนใจสูตรเหล่านี้ก็สามารถพบได้บนอินเทอร์เน็ต

ความถี่ PWM สำหรับหรี่

ดังที่ได้กล่าวไว้ข้างต้นไม่มีข้อกำหนดพิเศษใด ๆ เกี่ยวกับความเสถียรของความถี่พัลส์ PWM: ก็“ ลอย” เล็กน้อยและก็โอเค ความไม่แน่นอนของความถี่ดังกล่าวยังมีขนาดค่อนข้างใหญ่ผู้ควบคุม PWM มี ขึ้นอยู่กับตัวจับเวลา NE555 ในตัวที่ไม่รบกวนการใช้งานของพวกเขาในหลายรูปแบบ ในกรณีนี้มันเป็นสิ่งสำคัญเท่านั้นที่ความถี่นี้ไม่ได้ต่ำกว่าค่าที่แน่นอน

และความถี่ควรเป็นอย่างไรและมันจะเสถียรได้อย่างไร? อย่าลืมว่าเรากำลังพูดถึงหรี่แสงได้ ในเทคโนโลยีภาพยนตร์คำว่า "ความถี่การสั่นไหวที่สำคัญ" มีอยู่จริง นี่คือความถี่ที่ภาพแต่ละภาพที่แสดงเป็นภาพเคลื่อนไหว สำหรับสายตามนุษย์ความถี่นี้คือ 48Hz

ด้วยเหตุนี้ความถี่ในการถ่ายทำภาพยนตร์จึงอยู่ที่ 24 เฟรม / วินาที (มาตรฐานโทรทัศน์ 25 เฟรม / วินาที) ในการเพิ่มความถี่นี้ไปเป็นระดับวิกฤติผู้ฉายภาพยนตร์จะใช้ตัวดักจับสองใบ (ชัตเตอร์) ที่ซ้อนทับแต่ละเฟรมที่แสดงสองครั้ง

สำหรับโปรเจคเตอร์ขนาด 8 มม. ฟิล์มแคบมือสมัครเล่นความถี่ในการฉายภาพอยู่ที่ 16 เฟรม / วินาทีดังนั้นชัตเตอร์จึงมีมากถึงสามใบ จุดประสงค์เดียวกันในโทรทัศน์นั้นเกิดจากความจริงที่ว่าภาพนั้นถูกแสดงในครึ่งเฟรม: ก่อนและจากนั้นก็เป็นเส้นคี่ของภาพ ผลที่ได้คือความถี่การสั่นไหวของ 50Hz

การทำงานของ LED ในโหมด PWM เป็นแฟลชแบบแยกระยะเวลาที่ปรับได้ เพื่อให้แสงแฟลชถูกรับรู้ด้วยตาว่าเป็นแสงต่อเนื่องความถี่ของพวกเขาจะต้องไม่น้อยกว่าค่าวิกฤต มากเท่าที่คุณต้องการ แต่ไม่ได้อยู่ด้านล่าง ปัจจัยนี้ควรพิจารณาเมื่อสร้าง PWM - หน่วยงานกำกับดูแลสำหรับการแข่งขัน.

อย่างไรก็ตามข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ: นักวิทยาศาสตร์ได้ตัดสินว่าความถี่ที่สำคัญสำหรับดวงตาของผึ้งคือ 800Hz ดังนั้นผึ้งจึงเห็นภาพเคลื่อนไหวบนหน้าจอเป็นลำดับของภาพแต่ละภาพ เพื่อให้เธอเห็นภาพเคลื่อนไหวความถี่ในการฉายจะต้องเพิ่มขึ้นเป็นแปดร้อยเฟรมต่อวินาที!

แผนภาพการทำงานของตัวควบคุม PWM

เพื่อควบคุมไฟ LED ที่ใช้จริง ขั้นตอนที่สำคัญของทรานซิสเตอร์. เมื่อเร็ว ๆ นี้ส่วนใหญ่ใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับวัตถุประสงค์นี้ ทรานซิสเตอร์ mosfetช่วยให้คุณสามารถเดินทางพลังงานที่สำคัญ (การใช้ทรานซิสเตอร์สองขั้วธรรมดาสำหรับวัตถุประสงค์เหล่านี้ถือว่าไม่เหมาะสมเพียงอย่างเดียว)

ความต้องการดังกล่าว (ทรานซิสเตอร์ MOSFET อันทรงพลัง) เกิดขึ้นกับ LED จำนวนมากเช่นด้วย ใช้แถบ LEDซึ่งจะมีการหารือในภายหลัง หากพลังงานต่ำ - เมื่อใช้หนึ่ง - สอง LED คุณสามารถใช้ปุ่มบนพลังงานต่ำ ทรานซิสเตอร์สองขั้วและถ้าเป็นไปได้ให้เชื่อมต่อ LED โดยตรงกับเอาท์พุทของ microcircuits

รูปที่ 2 แสดงแผนภาพการทำงานของคอนโทรลเลอร์ PWM ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบการควบคุมตัวต้านทาน R2 จะแสดงตามอัตภาพในแผนภาพ ด้วยการหมุนที่จับมันเป็นไปได้ที่จะเปลี่ยนรอบการทำงานของพัลส์ควบคุมภายในขีด จำกัด ที่กำหนดและดังนั้นความสว่างของไฟ LED

รูปที่ 2 แผนภาพการทำงานของตัวควบคุม PWM

รูปแสดงไฟ LED สามดวงที่ต่อกับอนุกรมซึ่งมีตัวต้านทาน จำกัด ใช้การเชื่อมต่อแบบเดียวกันโดยประมาณในแถบ LED เทปยิ่งยาวยิ่งมี LED มากขึ้นการสิ้นเปลืองกระแสไฟยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

มันอยู่ในกรณีเหล่านี้ที่ทรงพลัง หน่วยงานกำกับดูแลเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์ MOSFETกระแสไฟที่อนุญาตที่ควรมีขนาดใหญ่กว่าเทปที่ใช้ในปัจจุบันเล็กน้อย ความต้องการหลังนั้นสามารถทำได้ง่ายเช่น: ทรานซิสเตอร์ IRL2505 มีกระแสระบายออกประมาณ 100A, แรงดันไฟฟ้าระบาย 55V ในขณะที่ขนาดและราคามีความน่าสนใจเพียงพอสำหรับใช้ในการออกแบบที่หลากหลาย

PWM master oscillators

ไมโครคอนโทรลเลอร์ (ส่วนใหญ่มักอยู่ในสภาพอุตสาหกรรม) หรือวงจรที่ทำจากวงจรขนาดเล็กที่รวมกันสามารถใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ต้นแบบ PWM ถ้าอยู่บ้านก็ควรที่จะสร้างหน่วยงานกำกับดูแล PWM เล็กน้อย แต่ไม่มีประสบการณ์ในการสร้างอุปกรณ์ไมโครคอนโทรลเลอร์แล้วล่ะก็มันจะเป็นการดีกว่าถ้าคุณทำตัวควบคุมสิ่งที่อยู่ในมือ

นี่อาจเป็นซีรี่ส์ชิปลอจิก K561 ซึ่งเป็นตัวจับเวลาในตัว NE555เช่นเดียวกับไมโครชิปพิเศษที่ออกแบบมาสำหรับ การเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟ. ในบทบาทนี้คุณสามารถทำงานได้ เครื่องขยายเสียงในการปฏิบัติงานการประกอบเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่ปรับได้บนมัน แต่นี่อาจจะเป็น“ ออกจากความรักสำหรับงานศิลปะ” ดังนั้นจึงมีเพียงสองรูปแบบเท่านั้นที่จะได้รับการพิจารณาด้านล่าง: โดยทั่วไปในตัวจับเวลา 555 และตัวควบคุม UC3843 ของ UPS

โครงการของต้นแบบ oscillator บนตัวจับเวลา 555

รูปที่ 3 Scheme ของตัวกำเนิดสัญญาณหลัก

วงจรนี้เป็นเครื่องกำเนิดคลื่นสี่เหลี่ยมจัตุรัสปกติซึ่งความถี่ถูกกำหนดโดยตัวเก็บประจุ C1 ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จผ่านวงจร "เอาท์พุท - R2 - RP1-C1 - ลวดทั่วไป" ในกรณีนี้เอาต์พุตจะต้องมีแรงดันไฟฟ้าระดับสูงซึ่งเทียบเท่ากับความจริงที่ว่าเอาต์พุตนั้นเชื่อมต่อกับขั้วบวกของแหล่งพลังงาน

ตัวเก็บประจุจะคายประจุผ่านวงจร "C1 - VD2 - R2 - เอาท์พุท - สายสามัญ" ในเวลาที่เอาต์พุตมีแรงดันไฟฟ้าต่ำเอาท์พุทจะเชื่อมต่อกับสายสามัญ ความแตกต่างในเส้นทางของประจุ - การคายประจุของตัวเก็บประจุที่ตั้งค่าเวลา - ให้พัลส์ที่มีความกว้างที่ปรับได้

ควรสังเกตว่าไดโอดแม้ในประเภทเดียวกันมีพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน ในกรณีนี้ความจุไฟฟ้ามีบทบาทซึ่งเปลี่ยนแปลงภายใต้อิทธิพลของแรงดันไฟฟ้าที่มีต่อไดโอด ดังนั้นพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงรอบหน้าที่ของสัญญาณเอาท์พุทความถี่ของมันก็เปลี่ยนไป

สิ่งสำคัญคือมันไม่ได้น้อยกว่าความถี่วิกฤติซึ่งถูกกล่าวถึงข้างต้น มิฉะนั้นแทนที่จะเป็นแสงที่มีความสว่างแตกต่างกันแทนที่จะมองเห็นแสงแฟลชแต่ละดวง

ประมาณ (อีกครั้งไดโอดจะตำหนิ) ความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะถูกกำหนดโดยสูตรที่แสดงด้านล่าง

ความถี่ของเครื่องกำเนิด PWM ในตัวจับเวลา 555

หากเราแทนค่าความจุของตัวเก็บประจุในสูตรในฟาร์ดและความต้านทานเป็นโอห์มผลลัพธ์ก็น่าจะเป็น Hz Hz: คุณไม่สามารถไปได้ทุกที่จากระบบ SI! เป็นที่เข้าใจกันว่าเครื่องยนต์อาร์พี 1 ตัวต้านทานตัวแปรอยู่ในตำแหน่งกลาง (ในสูตร RP1 / 2) ซึ่งสอดคล้องกับสัญญาณเอาท์พุตของรูปทรงคดเคี้ยว ในรูปที่ 2 นี่เป็นส่วนที่บ่งบอกถึงระยะเวลาการเต้นของชีพจร 50% ซึ่งเทียบเท่ากับสัญญาณที่มีวัฏจักรหน้าที่ 2

PWM master oscillator บนชิป UC3843

วงจรของมันแสดงในรูปที่ 4

รูปที่ 4. Scheme ของ PWM master oscillator บนชิป UC3843

ชิป UC3843 เป็นตัวควบคุม PWM สำหรับเปลี่ยนแหล่งจ่ายไฟและใช้ตัวอย่างเช่นในแหล่งที่มาของคอมพิวเตอร์ในรูปแบบ ATX ในกรณีนี้รูปแบบทั่วไปของการรวมจะมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในทิศทางของการทำให้เข้าใจง่าย ในการควบคุมความกว้างของพัลส์เอาต์พุตเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าควบคุมของขั้วบวกจะถูกป้อนเข้ากับวงจรจากนั้นสัญญาณ PWM ที่ปรับความกว้างพัลส์จะถูกส่งออก

ในกรณีที่ง่ายที่สุดสามารถใช้แรงดันไฟฟ้าตามกฎระเบียบโดยใช้ตัวต้านทานผันแปรที่มีความต้านทาน 22 ... 100K หากจำเป็นสามารถรับแรงดันไฟฟ้าควบคุมได้ตัวอย่างเช่นจากเซ็นเซอร์วัดแสงแบบอะนาล็อกที่ทำจากโฟโตเรซิสเตอร์: ยิ่งหน้าต่างมืดขึ้นเท่าใด

แรงดันไฟฟามีผลตอ PWM เอาตพุตดังนั้นเมื่อมันลดลงความกวางของพัลสเอาตพุตจะเพิ่มขึ้นซึ่งไมแปลกใจเลยหลังจากทั้งหมดวัตถุประสงค์เบื้องต้นของชิป UC3843 คือการรักษาแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ: ถ้าแรงดันขาออกลดลงและด้วยแรงดันควบคุมคุณต้องใช้มาตรการ (เพิ่มความกว้างของพัลส์เอาต์พุต) เพื่อเพิ่มแรงดันเอาท์พุทเล็กน้อย

แรงดันไฟฟ้าตามกฎระเบียบในแหล่งจ่ายไฟถูกสร้างขึ้นตามกฎโดยใช้ซีเนอร์ไดโอด ส่วนใหญ่มักจะเป็น TL431 หรือชอบ

ด้วยค่าของส่วนต่าง ๆ ที่ระบุไว้ในแผนภาพความถี่ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะอยู่ที่ประมาณ 1 KHz ซึ่งแตกต่างจากเครื่องกำเนิดในตัวจับเวลา 555 มันไม่“ ลอยตัว” เมื่อรอบหน้าที่ของสัญญาณมีการเปลี่ยนแปลง - กังวลเกี่ยวกับความคงตัวของความถี่

ในการควบคุมพลังงานที่สำคัญตัวอย่างเช่นแถบ LED ขั้นตอนสำคัญของทรานซิสเตอร์ MOSFET ควรเชื่อมต่อกับเอาท์พุทดังแสดงในรูปที่ 2

มันจะเป็นไปได้ที่จะพูดคุยเพิ่มเติมเกี่ยวกับหน่วยงานกำกับดูแล PWM แต่ตอนนี้ให้เราอาศัยอยู่กับเรื่องนี้และในบทความถัดไปเราจะพิจารณาวิธีการเชื่อมต่อ LEDs ที่หลากหลาย ท้ายที่สุดไม่ใช่ว่าทุกวิธีจะดีเท่า ๆ กันมีวิธีที่ควรหลีกเลี่ยงและมีข้อผิดพลาดเพียงพอเมื่อเชื่อมต่อ LED

ความต่อเนื่องของบทความ:รูปแบบการเดินสายไฟ LED ที่ดีและไม่ดี

Boris Aladyshkin