LED fényerő-szabályozás

Bizonyos esetekben, például zseblámpákban vagy otthoni világítótestekben, szükség van a ragyogás fényerejének beállítására. Úgy tűnik, hogy könnyebb: csak változtassa meg az áramot a LED-en keresztül, növelve vagy csökkentve ellenállást korlátozó ellenállás. De ebben az esetben az energia jelentős részét a korlátozó ellenállásra fordítják, ami teljesen elfogadhatatlan az elemek vagy akkumulátorok autonóm tápellátása esetén.

Ezenkívül a LED-ek színe megváltozik: például a fehér, ha az áram alacsonyabb, mint a névleges (a legtöbb LED esetén 20 mA) enyhén zöldes árnyalatú lesz. Az ilyen színváltozás bizonyos esetekben teljesen haszontalan. Képzelje el, hogy ezek a LED-ek megvilágítják a TV vagy a számítógép képernyőjét.

A PWM szabályozásának alapelve

Ezekben az esetekben jelentkezzen PWM - szabályozás (impulzusszélesség). Ennek jelentése az fénykibocsátó dióda időnként kigyullad és kialszik. Ugyanakkor az áram a teljes villanás ideje alatt névleges marad, ezért az izzás spektruma nem torzul. Ha a LED fehér, akkor a zöld árnyalatok nem jelennek meg.

Ezen túlmenően az energiaszabályozás ezen módszerével az energiaveszteség minimális, a PWM vezérlésű áramkörök hatékonysága nagyon magas, elérve több mint 90 százalékot.

A PWM-szabályozás elve meglehetősen egyszerű, és az az 1. ábrán látható. A szemben a megvilágított és kialudt állapot időtartamának más arányát érzékeljük különböző fényerő: mint egy filmben - külön felváltva a felvételeket váltakozva mozgó képként veszik fel. Minden a vetítés frekvenciájától függ, amelyet egy kicsit később tárgyalunk.

1. ábra: A PWM szabályozásának alapelve

Az ábra a PWM vezérlőkészülék (vagy egy fő oszcillátor) kimenetén lévő jeldiagramokat mutatja. A nullát és az egyiket a jelzi logikai szintek: egy logikai egység (magas szint) a LED világítását, a logikai nulla (alacsony szint), illetve a kihalását okozza.

Bár minden fordítva fordulhat elő, mivel minden a kimeneti kulcs áramkörétől függ, a LED alacsonyan bekapcsolható, és csak magasan kikapcsolható. Ebben az esetben a fizikailag logikai egység alacsony feszültségszintje és a logikai nulla magas lesz.

Más szavakkal: egy logikai egység valamilyen esemény vagy folyamat bevonását okozza (esetünkben a LED megvilágítás), és egy logikai nullának le kell tiltania ezt a folyamatot. Vagyis nem mindig magas a digitális mikroáramkör kimeneténél egy LOGIC egység, minden attól függ, hogy egy adott áramkört hogyan építenek. Ez tájékoztatásul szolgál. De most feltételezzük, hogy a kulcsot magas szintű irányítja, és egyébként egyszerűen nem lehet.

A vezérlőimpulzusok gyakorisága és szélessége

Meg kell jegyezni, hogy az impulzus ismétlési periódus (vagy frekvencia) változatlan marad. De általában az impulzusfrekvencia nem befolyásolja az izzás fényerejét, ezért a frekvencia stabilitására nincs különös követelmény. Csak a pozitív impulzus időtartama (SZÉLESSÉG) változik, ebben az esetben az impulzusszélesség-moduláció teljes mechanizmusa működik.

Az 1. ábrán a kontroll impulzusok időtartamát%% -ban fejezzük ki. Ez az úgynevezett "töltési tényező", vagy az angol terminológiában a DUTY CYCLE. A vezérlő impulzus időtartamának és az impulzus ismétlési periódusnak a hányadosaként fejezik ki.

Az orosz terminológiát általában használják "Üzemi ciklus" - az időszak és az impulzus arányaa. Tehát, ha a kitöltési tényező 50%, akkor a munkaciklus 2 lesz.Itt nincs alapvető különbség, ezért használhatja ezeket az értékeket, akik számára ez kényelmesebb és érthetőbb.

Természetesen itt adhatunk képleteket a munkaciklus és a SZAKCIKLUS kiszámításához, de a bemutatás bonyolulásának elkerülése érdekében képletek nélkül is megtesszük. Szélsőséges esetekben Ohm törvénye. Nincs tennivaló: "Nem ismeri Ohm törvényét, maradjon otthon!" Ha valaki érdekli ezeket a képleteket, akkor mindig megtalálhatók az interneten.

PWM frekvencia dimmerhez

Mint fentebb említettük, a PWM impulzusfrekvenciájának stabilitására nem vonatkoznak különleges követelmények: nos, egy kicsit “lebeg”, és rendben van. Az ilyen frekvenciastabilitás egyébként meglehetősen nagy, a PWM vezérlőknek megvan az NE555 beépített időzítőn alapulez nem akadályozza meg a sok formatervezésben való felhasználását. Ebben az esetben csak az fontos, hogy ez a frekvencia ne essen egy bizonyos érték alá.

És milyen frekvenciának kell lennie, és milyen instabil lehet? Ne felejtsük el, hogy dimmerről beszélünk. A filmtechnikában létezik a "kritikus villogási frekvencia" kifejezés. Ez az a gyakoriság, amellyel az egymás után megjelenített képeket mozgó képnek tekintik. Az emberi szem számára ez a frekvencia 48Hz.

Ez az oka annak, hogy a filmkészítés gyakorisága 24 képkocka / sec (televíziós szabvány 25 képkocka / sec). Annak érdekében, hogy ezt a frekvenciát kritikus értékre növeljék, a filmvetítők kétlapátos elzáró készüléket (redőny) használnak, amely kétszer átfedi az összes megjelenített keretet.

A amatőr keskeny filmű 8 mm-es kivetítőkben a vetítési frekvencia 16 képkocka / sec volt, tehát a redőnynek három lapja volt. Ugyanezt a célt szolgálja a televízióban az a tény, hogy a kép fél képkockában jelenik meg: a kép először páratlan, majd páratlan vonalakkal. Az eredmény 50 Hz vibrációs frekvencia.

A LED működése PWM módban külön beállítható időtartamú vaku. Annak érdekében, hogy ezeket a villanásokat a szem folyamatos fényként érzékelje, frekvenciájuknak legalább kritikusnak kell lennie. Annyi, amennyit csak akar, de az alábbiak szerint semmilyen módon nem. Ezt a tényezőt figyelembe kell venni a létrehozáskor PWM - lámpatestek szabályozói.

Mellesleg, csakúgy, mint egy érdekes tény: a tudósok valahogy megállapították, hogy a méh szemének kritikus frekvenciája 800Hz. Ezért a méh a filmet a képernyőn az egyes képek sorozatának tekinti. Annak érdekében, hogy mozgó képet láthasson, a vetítési frekvenciát nyolcszáz képkocka / másodpercre kell növelni!

A PWM vezérlő működési diagramja

A tényleges LED vezérlésére szolgál tranzisztor kulcstartó. A közelmúltban a legszélesebb körben használt erre a célra tranzisztorok mosfet, lehetővé téve a jelentős teljesítmény ingázását (a hagyományos bipoláris tranzisztorok ilyen célokra történő használata egyszerűen tisztességtelennek tekinthető).

Ilyen igény (nagy teljesítményű MOSFET tranzisztor) nagyszámú LED-rel merül fel, például a LED csíkkal, amelyet később tárgyalunk. Ha az energiafogyasztás alacsony - egy - két LED használata esetén, akkor a gombokat alacsony energiafogyasztással is használhatja bipoláris tranzisztorok, és ha lehetséges, csatlakoztassa a LED-eket közvetlenül a mikroáramkör kimeneteihez.

A 2. ábra a PWM vezérlő működési diagramját mutatja. Vezérlő elemként az R2 ellenállást általában ábrán mutatjuk be. A fogantyú elforgatásával meg lehet változtatni a vezérlő impulzusok ciklusát a kívánt határokon belül, és ennek következtében a LED-ek fényerejét.

2. ábra: A PWM vezérlő működési rajza

Az ábra három sorozatba kapcsolt LED-et ábrázol, korlátozó ellenállásokkal. Körülbelül ugyanazt a csatlakozást használják a LED csíkok. Minél hosszabb a szalag, annál több LED van, annál nagyobb az áramfelvétel.

Ezekben az esetekben olyan erős szabályozók MOSFET tranzisztorokon, amelynek megengedett leeresztőáramának kissé nagyobbnak kell lennie, mint a szalag által fogyasztott áramnak. Ez utóbbi követelményt elég könnyedén teljesítik: például az IRL2505 tranzisztor lemerülési árama körülbelül 100A, leürítési feszültsége 55V, miközben mérete és ára elég vonzó a különféle kivitelben való felhasználáshoz.

PWM mester oszcillátorok

PWM fő oszcillátorként egy mikrokontroller (leggyakrabban ipari körülmények között), vagy egy kis integrációjú mikroáramkörökön előállított áramkör használható. Ha otthon állítólag kis mennyiségű PWM szabályozót kell előállítani, de nincs tapasztalat a mikrovezérlő eszközök létrehozásában, akkor jobb, ha szabályozót készít a jelen pillanatban.

Ez lehet a K561 logikai chip sorozat, egy integrált időzítő NE555valamint a kapcsoló tápegységek. Ebben a szerepben akár munkát is végezhet operációs erősítőösszeállított egy állítható generátort rajta, de ez talán „a művészet iránti szeretet miatt”. Ezért csak két sémát veszünk figyelembe az alábbiak szerint: a leggyakoribb az 555 időzítőn és az UC3843 UPS vezérlőn.

A fő oszcillátor sémája az 555 időzítőn

3. ábra: A mester oszcillátor vázlata

Ez az áramkör egy szabályos négyszöghullámú generátor, amelynek frekvenciáját a C1 kondenzátor állítja be. A kondenzátort az "Kimenet - R2 - RP1-C1 - közös vezeték" áramkörön töltjük fel. Ebben az esetben a kimenetnek magas szintű feszültséggel kell rendelkeznie, ami megegyezik azzal a ténygel, hogy a kimenet az áramforrás plusz pólusához van csatlakoztatva.

A kondenzátort a "C1 - VD2 - R2 - kimenet - közös vezeték" áramkör mentén ürítik, amikor a kimeneten alacsony feszültség van, - a kimenetet egy közös vezetékhez csatlakoztatják. A töltés útjainak ez az eltérése - az időbeállító kondenzátor kisülése - állítható szélességű impulzusokat biztosít.

Meg kell jegyezni, hogy a diódák, még azonos típusúak is, különböző paraméterekkel rendelkeznek. Ebben az esetben az elektromos kapacitásuk szerepet játszik, amely a diódák feszültségének hatására megváltozik. Ezért a kimeneti jel teljes ciklusának megváltozásával együtt a frekvencia is megváltozik.

A lényeg az, hogy az ne legyen alacsonyabb, mint a fentebb említett kritikus frekvencia. Ellenkező esetben az eltérő fényerősségű egyenletes fény helyett egyedi villogások lesznek láthatóak.

Körülbelül (ismét a diódák felelősek) a generátor frekvenciáját az alább bemutatott képlettel lehet meghatározni.

A PWM generátor frekvenciája az 555 időzítőn.

Ha a képletben helyettesítjük a kondenzátor kapacitását fáradságban, az ellenállás Ohm-ben, akkor az eredménynek Hz Hz-ben kell lennie: a SI rendszerből sehova nem juthat el! Magától értetődik, hogy az RP1 változó ellenállású motor középső helyzetben van (az RP1 / 2 képletben), ami megfelel a meander alakjának kimeneti jelének. A 2. ábrán pontosan ez az a rész, ahol az impulzus időtartama 50%, azaz megegyezik egy 2 teljesülési ciklusú jelnek.

PWM fő oszcillátor az UC3843 chipen

Áramkörét a 4. ábra mutatja.

4. ábra: A PWM fő oszcillátor vázlata az UC3843 chipen

Az UC3843 chip egy PWM vezérlővezérlő a tápegységek kapcsolására, és például ATX formátumú számítógépes forrásokban használható. Ebben az esetben a beillesztés tipikus sémája kissé megváltozott az egyszerűsítés irányában. A kimeneti impulzus szélességének szabályozására pozitív polaritású szabályozó feszültséget táplálnak az áramkör bemenetére, majd impulzusszélességgel modulált PWM jelet adnak ki.

A legegyszerűbb esetben a szabályozó feszültség alkalmazható egy változó ellenállás felhasználásával, amelynek ellenállása 22 ... 100K. Szükség esetén a vezérlőfeszültséget be lehet szerezni például egy fotorezisztoron készített analóg fényérzékelőből: minél sötétebb az ablak, annál világosabb a szoba.

A vezérlőfeszültség befolyásolja a PWM kimenetet, így amikor csökken, akkor a kimeneti impulzus szélessége növekszik, ami egyáltalán nem meglepő.Végül is az UC3843 chip eredeti célja az áramellátás feszültségének stabilizálása: ha a kimeneti feszültség esik, és ezzel együtt a szabályozó feszültség is, akkor intézkedéseket kell tennie (növelje a kimeneti impulzus szélességét) a kimeneti feszültség kissé növelésére.

A tápfeszültségek szabályozási feszültségét általában zener diódákkal állítják elő. Leggyakrabban az TL431 vagy hasonló.

Az ábrán feltüntetett alkatrészértékekkel a generátor frekvenciája körülbelül 1 KHz, és az 555-ös időzítő generátorával ellentétben nem "lebeg", amikor a kimeneti jel működési ciklusa megváltozik - aggodalom adódik a kapcsoló tápegységek frekvencia állandósága miatt.

A jelentős teljesítmény szabályozásához, például egy LED-csíkhoz, a MOSFET tranzisztor kulcsfontosságú szakaszát a 2. ábra szerint kell csatlakoztatni a kimenethez.

Lehetséges lenne többet beszélni a PWM szabályozókról, de most pihenjenek ezen, és a következő cikkben megvizsgáljuk a LED-ek csatlakoztatásának különféle lehetőségeit. Végül is nem minden módszer egyformán jó, vannak olyanok, amelyeket el kell kerülni, és elég sok hiba van a LED-ek csatlakoztatásakor.

A cikk folytatása:Jó és rossz LED-huzalozási minták

Boris Aladyshkin