Ovládání jasu LED

V některých případech, například u svítilen nebo svítidel pro domácí osvětlení, je nutné upravit jas záře. Zdálo by se, že je to snazší: stačí změnit proud pomocí LED, zvýšit nebo snížit odpor omezující odpor. V tomto případě však bude značná část energie utracena na omezovací odpor, což je zcela nepřijatelné při autonomním napájení z baterií nebo akumulátorů.

Navíc se změní barva LED: například bílá, když je proud nižší než jmenovitý (pro většinu LED 20 mA), bude mít mírně nazelenalý odstín. Taková změna barvy je v některých případech zcela zbytečná. Představte si, že tyto LED diody osvětlují obrazovku televizoru nebo monitoru počítače.

Princip PWM - regulace

V těchto případech platí PWM - regulace (šířka pulsu). Jeho význam je to LED pravidelně se rozsvítí a zhasne. V tomto případě proud zůstává nominální po celou dobu záblesku, proto není luminiscenční spektrum zkresleno. Pokud LED svítí bíle, zelené odstíny se neobjeví.

Navíc, s touto metodou řízení výkonu jsou energetické ztráty minimální, účinnost obvodů řízených PWM je velmi vysoká a dosahuje více než 90 procent.

Princip řízení PWM je poměrně jednoduchý a je znázorněn na obrázku 1. Jiný poměr času svítícího a zhasnutého stavu v oku je vnímán jako jiný jas: jako ve filmu - samostatně zobrazované střídavě jsou snímky vnímány jako pohyblivý obraz. Vše záleží na frekvenci promítání, o které se bude diskutovat o něco později.

Obrázek 1. Princip regulace PWM

Obrázek ukazuje signálová schémata na výstupu řídicího zařízení PWM (nebo hlavního oscilátoru). Nula a jedna jsou označeny logické úrovně: logická jednotka (vysoká úroveň) způsobí, že LED svítí, logická nula (nízká úroveň), resp. zánik.

I když všechno může být obráceně, protože vše závisí na obvodech výstupního klíče, LED lze zapnout a vypnout, pouze vysoko. V tomto případě bude mít fyzicky logická jednotka nízkou úroveň napětí a logická nula bude vysoká.

Jinými slovy, logická jednotka způsobí zahrnutí nějaké události nebo procesu (v našem případě osvětlení LED) a logická nula by měla tento proces deaktivovat. To znamená, že ne vždy vysoká úroveň na výstupu digitálního mikroobvodu je jednotka LOGIC, vše záleží na tom, jak je konkrétní obvod vybudován. Toto je pro informaci. Ale prozatím předpokládáme, že klíč je ovládán vysokou úrovní a jednoduše to nemůže být jinak.

Frekvence a šířka řídících pulzů

Je třeba poznamenat, že perioda opakování pulsu (nebo frekvence) zůstává nezměněna. Obecně však frekvence pulsu neovlivňuje jas záře, proto neexistují žádné zvláštní požadavky na stabilitu frekvence. Změní se pouze trvání (WIDTH) pozitivního pulsu, díky kterému funguje celý mechanismus modulace šířky pulsu.

Trvání kontrolních pulzů na obrázku 1 je vyjádřeno v %%. Toto je takzvaný „faktor plnění“ nebo v anglické terminologii DUTY CYCLE. Vyjadřuje se jako poměr doby trvání kontrolního impulzu k periodě opakování pulsu.

V ruštině se obvykle používá terminologie „Pracovní cyklus“ - poměr periody k časovému impulzua. Pokud je tedy faktor plnění 50%, pak pracovní cyklus bude 2.Není zde žádný zásadní rozdíl, proto můžete použít kteroukoli z těchto hodnot, pro které je pohodlnější a srozumitelnější.

Zde bychom samozřejmě mohli dát vzorce pro výpočet pracovního cyklu a DUTY CYCLE, ale abychom nekomplikovali prezentaci, obejdeme se bez vzorců. V extrémních případech Ohmův zákon. Nelze nic dělat: „Neznáš Ohmův zákon, zůstaň doma!“ Pokud se někdo o tyto vzorce zajímá, lze je vždy najít na internetu.

PWM frekvence pro stmívač

Jak je uvedeno výše, na stabilitu pulzní frekvence PWM nejsou kladeny žádné zvláštní požadavky: dobře, trochu „vznáší“ a je v pořádku. Taková nestabilita kmitočtu je mimochodem poměrně velká, mají regulátory PWM na základě integrovaného časovače NE555to nezasahuje do jejich použití v mnoha provedeních. V tomto případě je pouze důležité, aby tato frekvence neklesla pod určitou hodnotu.

A jaká by měla být frekvence a jak nestabilní to může být? Nezapomeňte, že mluvíme o stmívačích. Ve filmové technologii existuje pojem „kritická frekvence blikání“. Toto je frekvence, při které jsou jednotlivé obrázky zobrazeny jeden po druhém vnímány jako pohyblivý obraz. Pro lidské oko je tato frekvence 48 Hz.

Z tohoto důvodu byla frekvence natáčení filmu 24 snímků / s (standardní televizní vysílání 25 snímků / s). Chcete-li zvýšit tuto frekvenci na kritické, filmové projektory používají dvoulistý obturátor (závěrka), který dvakrát překrývá každý zobrazený snímek.

V amatérských 8mm projektorech s úzkým filmem byla projekční frekvence 16 snímků / s, takže závěrka měla až tři nože. Ke stejnému účelu v televizi slouží skutečnost, že obraz je zobrazen v polovičních rámcích: nejprve sudý a potom liché řádky obrazu. Výsledkem je blikající frekvence 50 Hz.

Provoz LED v režimu PWM je samostatný blesk s nastavitelnou dobou trvání. Aby byly tyto záblesky vnímány okem jako nepřetržitá záře, jejich frekvence nesmí být menší než kritická. Tolik, kolik chcete, ale v žádném případě níže. Tento faktor by měl být zohledněn při vytváření PWM - regulátory pro příslušenství.

Mimochodem, stejně jako zajímavý fakt: vědci nějak určili, že kritická frekvence pro včelí oko je 800 Hz. Včela proto vidí film na obrazovce jako sled jednotlivých obrázků. Aby mohla vidět pohyblivý obraz, bude muset být projekční frekvence zvýšena na osm set půl snímků za sekundu!

Funkční schéma regulátoru PWM

K ovládání skutečné LED se používá tranzistorový klíčový stupeň. V poslední době se pro tento účel nejčastěji používá tranzistory mosfet, což vám umožňuje dojíždět významnou sílu (použití konvenčních bipolárních tranzistorů pro tyto účely se považuje za jednoduše neslušné).

Taková potřeba (výkonný tranzistor MOSFET) vyvstává s velkým počtem LED diod, například s pomocí LED pásky, o kterém se bude diskutovat později. Pokud je energie nízká - při použití jedné - dvou LED, můžete použít tlačítka na nízké spotřebě bipolární tranzistorya pokud je to možné, připojte LED přímo k výstupům mikroobvodů.

Obrázek 2 ukazuje funkční diagram regulátoru PWM. Jako řídicí prvek je rezistor R2 obvykle znázorněn na obrázku. Otáčením jeho držadla je možné změnit pracovní cyklus regulačních impulzů v požadovaných mezích, a tím i jas LED diod.

Obrázek 2. Funkční schéma PWM regulátoru

Obrázek ukazuje tři řetězce sériově zapojených LED s omezovacími odpory. Přibližně stejné spojení se používá u LED pásek. Čím delší je páska, tím více LED diod, tím větší je aktuální spotřeba.

Je to v těchto případech mocné regulátory na tranzistorech MOSFET, jehož přípustný vypouštěcí proud by měl být o něco větší než proud spotřebovaný páskou. Posledně uvedený požadavek je splněn poměrně snadno: například tranzistor IRL2505 má vypouštěcí proud asi 100 A, vypouštěcí napětí 55 V, zatímco jeho velikost a cena jsou dostatečně atraktivní pro použití v různých provedeních.

PWM hlavní oscilátory

Jako hlavní oscilátor PWM lze použít mikrokontrolér (nejčastěji v průmyslových podmínkách) nebo obvod vytvořený na mikroobvodech malého stupně integrace. Pokud se doma má vyrábět malé množství PWM regulátorů, ale neexistují žádné zkušenosti s vytvářením mikrokontrolérových zařízení, je lepší vytvořit regulátor na tom, co je nyní po ruce.

Může to být logický čip série K561, integrovaný časovač NE555stejně jako specializované mikročipy určené pro spínací zdroje napájení. V této roli můžete dokonce pracovat operační zesilovačpo sestavení nastavitelného generátoru na to, ale je to snad „z lásky k umění“. Proto budou níže uvažovány pouze dvě schémata: nejběžnější na časovači 555 a na řadiči UPS UC3843.

Schéma hlavního oscilátoru na časovači 555

Obrázek 3. Schéma hlavního oscilátoru

Tento obvod je pravidelný generátor čtvercové vlny, jehož frekvence je nastavena kondenzátorem C1. Kondenzátor je nabíjen obvodem „Výstup - R2 - RP1-C1 - společný vodič“. V tomto případě musí mít výstup vysoké napětí, což odpovídá skutečnosti, že výstup je připojen ke kladnému pólu zdroje energie.

Kondenzátor je vybit přes obvod "C1 - VD2 - R2 - Výstup - společný vodič" v době, kdy je výstup nízkého napětí, výstup je připojen ke společnému vodiči. Tento rozdíl v drahách nabíjení - vybíjení kondenzátoru s nastaveným časem - poskytuje pulzy s nastavitelnou šířkou.

Je třeba poznamenat, že i diody stejného typu mají různé parametry. V tomto případě hraje jejich elektrická kapacita roli, která se mění vlivem napětí na diody. Proto se spolu se změnou pracovního cyklu výstupního signálu mění také jeho frekvence.

Hlavní věc je, že se nestává méně než kritická frekvence, která byla zmíněna právě výše. Jinak budou namísto jednotné záře s různým jasem viditelné jednotlivé záblesky.

Přibližně (opět na vině jsou diody), frekvence generátoru může být stanovena podle níže uvedeného vzorce.

Frekvence generátoru PWM na časovači 555.

Pokud nahradíme kondenzátorovou kapacitu ve faradech ve vzorci, odpor v Ohmech, pak by výsledek měl být v Hz Hz: nemůžete se nikam dostat ze systému SI! Rozumí se, že motor s proměnným odporem RP1 je ve střední poloze (ve vzorci RP1 / 2), což odpovídá výstupnímu signálu tvaru meandru. Na obrázku 2 je to přesně ta část, kde je indikována doba trvání pulsu 50%, což je ekvivalentní signálu s pracovním cyklem 2.

PWM hlavní oscilátor na čipu UC3843

Jeho obvod je znázorněn na obrázku 4.

Obrázek 4. Schéma hlavního oscilátoru PWM na čipu UC3843

Čip UC3843 je řídicí jednotka PWM pro přepínání zdrojů napájení a používá se například v počítačových zdrojích ve formátu ATX. V tomto případě se typické schéma jeho zařazení ve směru zjednodušení mírně změní. Pro řízení šířky výstupního impulsu je na vstup obvodu přiváděno regulační napětí s kladnou polaritou a na výstupu je získán PWM signál modulovaný šířkou impulsu.

V nejjednodušším případě může být regulační napětí přivedeno pomocí variabilního rezistoru s odporem 22 ... 100K. V případě potřeby lze řídicí napětí získat například z analogového světelného senzoru vyrobeného na fotorezistoru: čím tmavší je okno, tím jasnější je místnost.

Řídicí napětí působí na výstup PWM, takže při jeho poklesu se zvyšuje šířka výstupního impulsu, což není vůbec překvapivé.Počáteční účel čipu UC3843 je koneckonců stabilizovat napětí napájecího zdroje: pokud výstupní napětí klesá a tím i regulační napětí, musíte podniknout opatření (zvětšit šířku výstupního impulsu) a mírně zvýšit výstupní napětí.

Regulační napětí v napájecích zdrojích je zpravidla generováno za použití zenerových diod. Nejčastěji je TL431 nebo podobně.

S hodnotami částí uvedenými v diagramu je frekvence generátoru asi 1 KHz a na rozdíl od generátoru na časovači 555 „neplává“, když se mění pracovní cyklus výstupního signálu - obavy o stálost frekvence spínaných zdrojů napájení.

Pro regulaci významného výkonu, například LED pásek, by měla být na výstupu připojena klíčová fáze tranzistoru MOSFET, jak je znázorněno na obrázku 2.

Bylo by možné mluvit více o regulátorech PWM, ale prozatím se o tom budeme zabývat a v dalším článku se budeme zabývat různými způsoby připojení LED. Koneckonců, ne všechny metody jsou stejně dobré, existují ty, kterým je třeba se vyhnout, a při připojování LED dochází k chybám.

Pokračování článku:Dobré a špatné vzory zapojení LED

Boris Aladyshkin