Control de brillo LED

En algunos casos, por ejemplo, en linternas o accesorios de iluminación del hogar, se hace necesario ajustar el brillo del resplandor. Parece que es más fácil: simplemente cambie la corriente a través del LED, aumentando o disminuyendo resistencia limitadora de resistencia. Pero en este caso, una parte importante de la energía se gastará en la resistencia limitadora, que es completamente inaceptable con una fuente de alimentación autónoma de baterías o acumuladores.

Además, el color de los LED cambiará: por ejemplo, el blanco cuando la corriente es más baja que la nominal (para la mayoría de los LED de 20 mA) tendrá un tono ligeramente verdoso. Tal cambio de color en algunos casos es completamente inútil. Imagine que estos LED iluminan la pantalla de un televisor o monitor de computadora.

El principio de PWM - regulación

En estos casos, aplique PWM - regulación (ancho de pulso). Su significado es que LED se ilumina periódicamente y se apaga. En este caso, la corriente permanece nominal durante todo el tiempo del flash, por lo tanto, el espectro de luminiscencia no está distorsionado. Si el LED es blanco, no aparecerán sombras verdes.

Además, con este método de control de potencia, las pérdidas de energía son mínimas, la eficiencia de los circuitos con control PWM es muy alta, llegando a más del 90 por ciento.

El principio de la regulación PWM es bastante simple, y se muestra en la Figura 1. Una relación diferente del tiempo del estado encendido y apagado en el ojo se percibe como brillo diferente: como en una película: los cuadros alternativamente mostrados por separado se perciben como una imagen en movimiento. Todo depende de la frecuencia de la proyección, que se discutirá un poco más adelante.

Figura 1. El principio de la regulación PWM

La figura muestra los diagramas de señal a la salida del dispositivo de control PWM (o un oscilador maestro). Cero y uno están indicados por niveles lógicos: una unidad lógica (nivel alto) hace que el LED se ilumine, un cero lógico (nivel bajo), respectivamente, extinción.

Aunque todo puede ser al revés, ya que todo depende de la circuitería de la tecla de salida, el LED se puede encender bajo y apagar solo alto. En este caso, la unidad físicamente lógica tendrá un nivel de voltaje bajo y el cero lógico será alto.

En otras palabras, una unidad lógica provoca la inclusión de algún evento o proceso (en nuestro caso, iluminación LED), y un cero lógico debería deshabilitar este proceso. Es decir, no siempre un nivel alto en la salida de un microcircuito digital es una unidad LÓGICA, todo depende de cómo se construya un circuito en particular. Esto es para información. Pero por ahora, suponemos que la clave está controlada por un alto nivel, y simplemente no puede ser de otra manera.

Frecuencia y ancho de pulsos de control

Cabe señalar que el período de repetición de pulso (o frecuencia) permanece sin cambios. Pero, en general, la frecuencia del pulso no afecta el brillo del brillo, por lo tanto, no hay requisitos especiales para la estabilidad de la frecuencia. Solo la duración (ANCHO), en este caso, de un pulso positivo cambia, debido a lo cual funciona todo el mecanismo de modulación de ancho de pulso.

La duración de los pulsos de control en la Figura 1 se expresa en %%. Este es el llamado "factor de relleno" o, en terminología inglesa, CICLO DE TRABAJO. Se expresa como la relación entre la duración del pulso de control y el período de repetición del pulso.

En la terminología rusa se usa generalmente "Ciclo de trabajo": la relación entre el período y el pulso de tiempoa. Por lo tanto, si el factor de llenado es 50%, entonces el ciclo de trabajo será 2.No hay una diferencia fundamental aquí, por lo tanto, puede usar cualquiera de estos valores, para quienes sea más conveniente y comprensible.

Aquí, por supuesto, uno podría dar fórmulas para calcular el ciclo de trabajo y el CICLO DE TRABAJO, pero para no complicar la presentación, lo haremos sin fórmulas. En casos extremos, la ley de Ohm. No hay nada que hacer: "¡No conoces la ley de Ohm, quédate en casa!" Si alguien está interesado en estas fórmulas, siempre se pueden encontrar en Internet.

Frecuencia PWM para dimmer

Como se mencionó anteriormente, no se imponen requisitos especiales sobre la estabilidad de la frecuencia de pulso PWM: bueno, "flota" un poco, y está bien. Tal inestabilidad de frecuencia, por cierto, es bastante grande, los controladores PWM tienen basado en el temporizador integrado NE555eso no interfiere con su uso en muchos diseños. En este caso, solo es importante que esta frecuencia no caiga por debajo de cierto valor.

¿Y cuál debería ser la frecuencia y cuán inestable puede ser? No olvides que estamos hablando de dimmers. En tecnología de películas, existe el término "frecuencia crítica de parpadeo". Esta es la frecuencia con la que las imágenes individuales que se muestran una tras otra se perciben como una imagen en movimiento. Para el ojo humano, esta frecuencia es de 48Hz.

Es por esta razón que la frecuencia de disparo en la película fue de 24 cuadros / segundo (estándar de televisión de 25 cuadros / segundo). Para aumentar esta frecuencia a crítica, los proyectores de película usan un obturador (obturador) de dos cuchillas que se superpone dos veces a cada cuadro visualizado.

En los proyectores amateur de película estrecha de 8 mm, la frecuencia de proyección era de 16 cuadros / segundo, por lo que el obturador tenía hasta tres cuchillas. El mismo propósito en televisión es cumplido por el hecho de que la imagen se muestra en cuadros medios: primero pares y luego líneas impares de la imagen. El resultado es una frecuencia de parpadeo de 50Hz.

La operación del LED en modo PWM es un destello separado de duración ajustable. Para que el ojo perciba estos destellos como un brillo continuo, su frecuencia no debe ser menos que crítica. Todos los que quieras, pero de ninguna manera. Este factor debe considerarse al crear PWM - reguladores para accesorios.

Por cierto, solo como un hecho interesante: los científicos de alguna manera determinaron que la frecuencia crítica para el ojo de la abeja es de 800Hz. Por lo tanto, la abeja ve la película en la pantalla como una secuencia de imágenes individuales. ¡Para que pueda ver una imagen en movimiento, la frecuencia de proyección deberá aumentarse a ochocientos medios cuadros por segundo!

Diagrama funcional de un controlador PWM

Para controlar el LED real se utiliza etapa clave del transistor. Recientemente, el más utilizado para este propósito transistores mosfet, lo que le permite conmutar una potencia significativa (el uso de transistores bipolares convencionales para estos fines se considera simplemente indecente).

Tal necesidad (un potente transistor MOSFET) surge con una gran cantidad de LED, por ejemplo, con usando tira de LED, que se discutirá más adelante. Si la potencia es baja, cuando se usan uno o dos LED, puede usar las teclas en baja potencia transistores bipolares, y si es posible, conecte los LED directamente a las salidas de los microcircuitos.

La Figura 2 muestra el diagrama funcional del controlador PWM. Como elemento de control, la resistencia R2 se muestra convencionalmente en el diagrama. Al girar su mango, es posible cambiar el ciclo de trabajo de los pulsos de control dentro de los límites requeridos y, en consecuencia, el brillo de los LED.

Figura 2. Diagrama funcional de un controlador PWM

La figura muestra tres cadenas de LED conectados en serie con resistencias limitantes. Aproximadamente la misma conexión se utiliza en tiras de LED. Cuanto más larga sea la cinta, más LED, mayor será el consumo de corriente.

Es en estos casos que poderoso reguladores en transistores MOSFET, cuya corriente de drenaje permitida debe ser ligeramente mayor que la corriente consumida por la cinta. Este último requisito se cumple con bastante facilidad: por ejemplo, el transistor IRL2505 tiene una corriente de drenaje de aproximadamente 100 A, un voltaje de drenaje de 55 V, mientras que su tamaño y precio son lo suficientemente atractivos para su uso en varios diseños.

Osciladores maestros PWM

Un microcontrolador (más a menudo en condiciones industriales), o un circuito hecho en microcircuitos de un pequeño grado de integración, se puede utilizar como un oscilador maestro PWM. Si en casa se supone que debe hacer una pequeña cantidad de reguladores PWM, pero no hay experiencia en la creación de dispositivos de microcontroladores, entonces es mejor hacer un regulador de lo que ahora está a la mano.

Este puede ser un chip lógico serie K561, un temporizador integrado NE555así como microchips especializados diseñados para cambio de fuentes de alimentación. En este rol, incluso puedes hacer el trabajo amplificador operacionalhaber ensamblado un generador ajustable en él, pero esto es, tal vez, "por amor al arte". Por lo tanto, solo se considerarán dos esquemas a continuación: el más común en el temporizador 555 y en el controlador UPS UC3843.

Esquema del oscilador maestro en el temporizador 555

Figura 3. Esquema del oscilador maestro

Este circuito es un generador regular de onda cuadrada cuya frecuencia es establecida por el condensador C1. El condensador se carga a través del circuito "Salida - R2 - RP1-C1 - cable común". En este caso, la salida debe tener un voltaje de alto nivel, lo que equivale al hecho de que la salida está conectada al polo positivo de la fuente de alimentación.

El condensador se descarga a través del circuito "C1 - VD2 - R2 - Salida - cable común" en un momento en que la salida es de bajo voltaje, la salida está conectada a un cable común. Esta diferencia en las rutas de la carga, la descarga del condensador de ajuste de tiempo, proporciona pulsos con un ancho ajustable.

Cabe señalar que los diodos, incluso del mismo tipo, tienen parámetros diferentes. En este caso, su capacitancia eléctrica juega un papel que cambia bajo la influencia del voltaje en los diodos. Por lo tanto, junto con un cambio en el ciclo de trabajo de la señal de salida, su frecuencia también cambia.

Lo principal es que no se reduce a la frecuencia crítica, que se mencionó anteriormente. De lo contrario, en lugar de un brillo uniforme con diferente brillo, se verán destellos individuales.

Aproximadamente (nuevamente, los diodos son los culpables), la frecuencia del generador se puede determinar mediante la fórmula que se muestra a continuación.

La frecuencia del generador PWM en el temporizador 555.

Si sustituimos la capacitancia del condensador en faradios en la fórmula, la resistencia en ohmios, entonces el resultado debería estar en Hz Hz: ¡no puede obtener nada del sistema SI! Se entiende que el motor de resistencia variable RP1 está en la posición media (en la fórmula RP1 / 2), que corresponde a la señal de salida de la forma del meandro. En la Figura 2, esta es exactamente la parte donde se indica la duración del pulso del 50%, que es equivalente a una señal con un ciclo de trabajo de 2.

Oscilador maestro PWM en chip UC3843

Su circuito se muestra en la Figura 4.

Figura 4. Esquema del oscilador maestro PWM en el chip UC3843

El chip UC3843 es un controlador de control PWM para cambiar las fuentes de alimentación y se utiliza, por ejemplo, en fuentes de computadora con formato ATX. En este caso, el esquema típico de su inclusión se modifica ligeramente en la dirección de la simplificación. Para controlar el ancho del pulso de salida, se aplica un voltaje regulador de polaridad positiva a la entrada del circuito, luego se obtiene una señal PWM de frecuencia de ancho de pulso en la salida.

En el caso más simple, el voltaje regulatorio se puede aplicar usando una resistencia variable con una resistencia de 22 ... 100K. Si es necesario, el voltaje de control se puede obtener, por ejemplo, de un sensor de luz analógico hecho en un fotorresistor: cuanto más oscura es la ventana, más brillante es la habitación.

El voltaje de control actúa en la salida PWM, de modo que cuando disminuye, el ancho del pulso de salida aumenta, lo que no es nada sorprendente.Después de todo, el propósito inicial del chip UC3843 es estabilizar el voltaje de la fuente de alimentación: si el voltaje de salida cae, y con él el voltaje de regulación, entonces debe tomar medidas (aumentar el ancho del pulso de salida) para aumentar ligeramente el voltaje de salida.

El voltaje regulatorio en las fuentes de alimentación se genera, por regla general, utilizando diodos zener. Más a menudo es TL431 o similar

Con los valores de las partes indicados en el diagrama, la frecuencia del generador es de aproximadamente 1 KHz, y a diferencia del generador en el temporizador 555, no "flota" cuando cambia el ciclo de trabajo de la señal de salida; preocupación por la constancia de la frecuencia de conmutación de las fuentes de alimentación.

Para regular una potencia significativa, por ejemplo, una tira de LED, la etapa clave en el transistor MOSFET debe conectarse a la salida, como se muestra en la Figura 2.

Sería posible hablar más acerca de los reguladores PWM, pero por ahora hablemos de esto, y en el próximo artículo consideraremos varias formas de conectar los LED. Después de todo, no todos los métodos son igualmente buenos, existen aquellos que deben evitarse y solo hay suficientes errores al conectar los LED.

Continuación del artículo:Buenos y malos patrones de cableado LED

Boris Aladyshkin