Светодиоды больше и больше входят в нашу повседневную жизнь. Мы меняем лампы накаливания в квартире или доме, галогенные в машине на светодиодные. Для того чтобы регулировать яркость лампочки Эддисона обычно применяют диммер - эта такая штука с помощью которой можно ограничивать переменный ток, тем самым меняя яркость свечения на нужную вам, зачем же платить больше, да еще и чувствовать дискомфорт из-за чрезмерно яркого света? Регулятор мощности вообще может использоваться для многих потребителей (паяльник, болгарка, пылесос, дрель...) от переменного напряжения сети, построены они, как правило, на основе симистора.
Светодиоды питаются от постоянного и стабилизированного тока, так что тут применить стандартный диммер не удастся. Если просто изменять напряжение, подаваемое на него то яркость будет изменяться очень резко, для них важен ток, но вместо регулятора тока мы сделаем нечто другое, а именно ШИМ (Широко Импульсный Модулятор), он будет на некоторое определенное время отключать источник питания от светодиода, яркость уменьшится, но мигание замечать мы не будем, так как частота такая, что глаз человека этого не заметит. Тут не используетсямикроконтроллеры, ведь их наличие может стать препятствием к сборке устройства, нужно иметь программатор, определенное программное обеспечение... Поэтому в этой простой схеме используется только простые и общедоступные радиокомпоненты.
Вот такую штуку возможно использовать для любых инерционных нагрузок, то есть тех, которые могут запасать энергию, ведь, если, к примеру, отключить DC моторчик от источника питания то вращаться он перестанет никак не моментально.
Схему, как я считаю, условно можно разделить на две части, а именно это генератор, выполненный на мега-популярном таймере NE555 (аналог -КР1006ВИ1) и мощный открывающийся/закрывающийся транзистор, с помощью которого подается питание для нагрузки (здесь 555 работает в режиме астабильного мультивибратора). У нас используется мощный биполярный транзистор NPNструктуры (я взял TIP122), но возможно заменить его полевым (MOSFET)транзистором. Частота импульсного генератора, период, длительность импульса при этом выставляется двумя резисторами (R3,R2) и конденсаторами (C1,C2), а изменять ее мы сможем резистором с регулировкой сопротивления.
Компоненты-схемы
Существует куча программ для расчета аналогового таймера 555, можете поэкспериментировать с номиналами компонентов, которые и влияют на частоту генератора - это все легко просчитается с помощью многих программ, таких как эта. Номиналы можно немного менять, все будет работать и так. Импульсные диоды 4148 без проблем заменяются отечественными КД222. Конденсаторы 0,1 мкФ и 0,01 мкФ дисковые керамические. Переменным резистором устанавливаем частоту, для хорошей и плавной регулировки его максимальное сопротивление 50 кОм.
Все собрано на дискретных элементах, плата имеет размеры 50-25 мм.
Как работает схема?
Устройство работает как переключатель между двумя режимами: ток подается на нагрузку и ток не подается на нагрузку . Переключение происходит настолько быстро что наши глаза не видят этого мигания. Так вот, это устройство регулирует мощность путем изменения интервала между временем, когда питание подается и когда оно отключено.Думаю, вы поняли суть ШИМа. Вот так вот это выглядит на экране осциллографа.
Первая картинка отображает слабое свечение, потому что во время периода Tдлинна импульса t1 занимает только 20% (это так называемый коэффициент заполнения), а все остальные 80% у нас наблюдается логический 0 (отсутствует напряжение).
Вторая картинка показывает нам сигнал, который называется меандр, тогда у нас t1=0.5*T, то бишь скважность и Коэф. Заполнения равны 50%.
В третьем случае мы имеем D=90%. Светодиод светит почти на полную яркость.
Представим что T=1 секунде, тогда в первом случае
§ 1)в течении 0,2с будет идти ток на светодиод, а 0,8с нет
§ 2)0,5с подается ток 0,5с нет
Кстати, сделав три платки ШИМ регуляторов по схеме и подключив их к одной RGB ленте появляется возможность выставлять нужную гамму свечения. Каждая из плат управляет своими светодиодами (красными, зелеными и синими) и смешивая их в определенной последовательности вы добиваетесь нужного свечения.
Какие же потери энергии у этого устройства?
Во-первых, это жалкие несколько миллиампер, которые потребляют импульсный генератор на микросхеме, а далее идет силовой транзистор, на котором рассеивается мощность равная примерно P=0.6V*I потреблениянагрузки . Базовым резистором можно пренебречь. В целом потере на ШИМе минимальны ведь система регулирования по ширине импульса очень эффективна, так как в пустую тратится очень мало энергии (и, следовательно, выделяется мало тепла).
Итог
В итоге мы получили прекрасный и простой ШИМ. Им оказалось очень удобно настраивать для себя приятную силу свечения. Такое устройство всегда пригодится в быту.
В некоторых случаях, например, в фонариках или домашних осветительных приборах, возникает необходимость регулировать яркость свечения. Казалось бы, чего уж проще: достаточно изменить ток через светодиод, увеличив или уменьшив . Но в этом случае на ограничительном резисторе будет расходоваться значительная часть энергии, что совсем недопустимо при автономном питании от батарей или аккумуляторов.
Кроме того, цвет свечения светодиодов будет изменяться: например, белый цвет при понижении тока меньше номинального (для большинства светодиодов 20мА) будет иметь несколько зеленоватый оттенок. Такое изменение цвета в ряде случаев совершенно ни к чему. Представьте себе, что эти светодиоды подсвечивают экран телевизора или компьютерного монитора.
В этих случаях применяется ШИМ - регулирование (широтно - импульсное) . Смысл его в том, что периодически зажигается и гаснет. При этом ток на протяжении всего времени вспышки остается номинальным, поэтому спектр свечения не искажается. Уж если светодиод белый, то зеленые оттенки появляться не будут.
К тому же при таком способе регулирования мощности потери энергии минимальны, КПД схем с ШИМ регулированием очень высок, достигает 90 с лишним процентов.
Принцип ШИМ - регулирования достаточно простой, и показан на рисунке 1. Различное соотношение времени зажженного и погашенного состояния на глаз воспринимается как : как в кино - отдельно показываемые поочередно кадры воспринимаются как движущееся изображение. Здесь все зависит от частоты проекции, о чем разговор будет чуть позже.
Рисунок 1. Принцип ШИМ - регулирования
На рисунке изображены диаграммы сигналов на выходе устройства управления ШИМ (или задающий генератор). Нулем и единицей обозначены : логическая единица (высокий уровень) вызывает свечение светодиода, логический нуль (низкий уровень), соответственно, погасание.
Хотя все может быть и наоборот, поскольку все зависит от схемотехники выходного ключа, - включение светодиода может осуществляться низким уровнем а выключение, как раз высоким. В этом случае физически логическая единица будет иметь низкий уровень напряжения, а логический нуль высокий.
Другими словами, логическая единица вызывает включение какого-то события или процесса (в нашем случае засвечивание светодиода), а логический нуль должен этот процесс отключить. То есть не всегда высокий уровень на выходе цифровой микросхемы является ЛОГИЧЕСКОЙ единицей, все зависит от того, как построена конкретная схема. Это так, для сведения. Но пока будем считать, что ключ управляется высоким уровнем, и по-другому просто быть не может.
Частота и ширина управляющих импульсов
Следует обратить внимание на то, что период следования импульсов (или частота) остается неизменным. Но, в общем, частота импульсов на яркость свечения влияния не оказывает, поэтому, к стабильности частоты особых требований не предъявляется. Меняется лишь длительность (ШИРИНА), в данном случае, положительного импульса, за счет чего и работает весь механизм широтно-импульсной модуляции.
Длительность управляющих импульсов на рисунке 1 выражена в %%. Это так называемый «коэффициент заполнения» или, по англоязычной терминологии, DUTY CYCLE. Выражается отношением длительности управляющего импульса к периоду следования импульсов.
В русскоязычной терминологии обычно используется «скважность» - отношение периода следования к времени импульс а. Таким образом если коэффициент заполнения 50%, то скважность будет равна 2. Принципиальной разницы тут нет, поэтому, пользоваться можно любой из этих величин, кому как удобней и понятней.
Здесь, конечно, можно было бы привести формулы для расчета скважности и DUTY CYCLE, но, чтобы не усложнять изложение, обойдемся без формул. В крайнем случае, закон Ома. Уж тут ничего не поделаешь: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!». Если уж кого эти формулы заинтересуют, то их всегда можно найти на просторах Интернета.
Частота ШИМ для светорегулятора
Как было сказано чуть выше, особых требований к стабильности частоты импульсов ШИМ не предъявляется: ну, немного «плавает», да и ладно. Подобной нестабильностью частоты, кстати, достаточно большой, обладают ШИМ - регуляторы , что не мешает их применению во многих конструкциях. В данном случае важно лишь, чтобы эта частота не стала ниже некоторого значения.
А какая должна быть частота, и насколько она может быть нестабильна? Не забывайте, что речь идет о светорегуляторах. В кинотехнике существует термин «критическая частота мельканий». Это частота, при которой отдельные картинки, показываемые друг за другом, воспринимаются как движущееся изображение. Для человеческого глаза эта частота составляет 48Гц.
Вот именно по этой причине частота съемки на кинопленке составляла 24кадр/сек (телевизионный стандарт 25кадр/сек). Для повышения этой частоты до критической в кинопроекторах применяется двухлопастной обтюратор (заслонка) дважды перекрывающий каждый показываемый кадр.
В любительских узкопленочных 8мм проекторах частота проекции составляла 16кадр/сек, поэтому обтюратор имел аж три лопасти. Тем же целям в телевидении служит тот факт, что изображение показывается полукадрами: сначала четные, а потом нечетные строки изображения. В результате получается частота мельканий 50Гц.
Работа светодиода в режиме ШИМ представляет собой отдельные вспышки регулируемой длительности. Чтобы эти вспышки воспринимались на глаз как непрерывное свечение, их частота должна быть никак не меньше критической. Выше сколько угодно, но ниже никак нельзя. Этот фактор следует учитывать при создании ШИМ - регуляторов для светильников .
Кстати, просто, как интересный факт: ученые каким-то образом определили, что критическая частота для глаза пчелы составляет 800Гц. Поэтому кинофильм на экране пчела увидит как последовательность отдельных изображений. Для того, чтобы она увидела движущееся изображение, частоту проекции потребуется увеличить до восьмисот полукадров в секунду!
Для управления собственно светодиодом используется . В последнее время наиболее широко для этой цели используются , позволяющие коммутировать значительную мощность (применение для этих целей обычных биполярных транзисторов считается просто неприличным).
Такая потребность, (мощный MOSFET - транзистор) возникает при большом количестве светодиодов, например, при , о которых будет рассказано чуть позже. Если же мощность невелика - при использовании одного - двух светодиодов, можно использовать ключи на маломощных , а при возможности подключать светодиоды непосредственно к выходам микросхем.
На рисунке 2 показана функциональная схема ШИМ - регулятора. В качестве элемента управления на схеме условно показан резистор R2. Вращением его ручки можно в необходимых пределах изменять скважность управляющих импульсов, а, следовательно, яркость светодиодов.
Рисунок 2. Функциональная схема ШИМ - регулятора
На рисунке показаны три цепочки последовательно соединенных светодиодов с ограничивающими резисторами. Примерно такое же соединение применяется в светодиодных лентах. Чем длиннее лента, тем больше светодиодов, тем больше потребляемый ток.
Именно в этих случаях потребуются мощные , допустимый ток стока которых должен быть чуть больше тока, потребляемого лентой. Последнее требование выполняется достаточно легко: например, у транзистора IRL2505 ток стока около 100А, напряжение стока 55В, при этом, его размеры и цена достаточно привлекательны для использования в различных конструкциях.
Задающие генераторы ШИМ
В качестве задающего ШИМ - генератора может использоваться микроконтроллер (в промышленных условиях чаще всего), или схема, выполненная на микросхемах малой степени интеграции. Если в домашних условиях предполагается изготовить незначительное количество ШИМ - регуляторов, а опыта создания микроконтроллерных устройств нет, то лучше сделать регулятор на том, что в настоящее время оказалось под рукой.
Это могут быть логические микросхемы серии К561, интегральный таймер , а также специализированные микросхемы, предназначенные для . В этой роли можно заставить работать даже , собрав на нем регулируемый генератор, но это уж, пожалуй, «из любви к искусству». Поэтому, далее будут рассмотрены только две схемы: самая распространенная на таймере 555, и на контроллере ИБП UC3843.
Схема задающего генератора на таймере 555
Рисунок 3. Схема задающего генератора
Эта схема представляет собой обычный генератор прямоугольных импульсов, частота которого задается конденсатором C1. Заряд конденсатора происходит по цепи «Выход - R2 - RP1- C1 - общий провод». При этом на выходе должно присутствовать напряжение высокого уровня, что равнозначно, что выход соединен с плюсовым полюсом источника питания.
Разряжается конденсатор по цепи «C1 - VD2 - R2 - Выход - общий провод» в то время, когда на выходе присутствует напряжение низкого уровня, - выход соединен с общим проводом. Вот эта разница в путях заряда - разряда времязадающего конденсатора и обеспечивает получение импульсов с регулируемой шириной.
Следует заметить, что диоды, даже одного типа, имеют разные параметры. В данном случае играет роль их электрическая емкость, которая изменяется под действием напряжения на диодах. Поэтому вместе с изменением скважности выходного сигнала меняется и его частота.
Главное, чтобы она не стала меньше критической частоты, о которой было упомянуто чуть выше. Иначе вместо равномерного свечения с различной яркостью будут видны отдельные вспышки.
Приблизительно (опять же виноваты диоды) частоту генератора можно определить по формуле, показанной ниже.
Частота генератора ШИМ на таймере 555.
Если в формулу емкость конденсатора подставить в фарадах, сопротивление в Омах, то результат должен получиться в герцах Гц: от системы СИ никуда не денешься! При этом подразумевается, что движок переменного резистора RP1 находится в среднем положении (в формуле RP1/2), что соответствует выходному сигналу формы меандр. На рисунке 2 это как раз та часть, где указана длительность импульса 50%, что равнозначно сигналу со скважностью 2.
Задающий генератор ШИМ на микросхеме UC3843
Его схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема задающего генератора ШИМ на микросхеме UC3843
Микросхема UC3843 является управляющим ШИМ - контроллером для импульсных блоков питания и применяется, например, в компьютерных источниках формата ATX. В данном случае типовая схема ее включения несколько изменена в сторону упрощения. Для управления шириной выходного импульса на вход схемы подается регулирующее напряжение положительной полярности, то на выходе получается импульсный сигнал ШИМ.
В простейшем случае регулирующее напряжение можно подать с помощью переменного резистора сопротивлением 22…100КОм. При необходимости можно управляющее напряжение получать, например, с аналогового датчика освещенности, выполненного на фоторезисторе: чем темнее за окном, тем светлее в комнате.
Регулирующее напряжение воздействует на выход ШИМ, таким образом, что при его снижении ширина выходного импульса увеличивается, что вовсе не удивительно. Ведь исходное назначение микросхемы UC3843 - стабилизация напряжения блока питания: если выходное напряжение падает, а вместе с ним и регулирующее напряжение, то надо принимать меры (увеличивать ширину выходного импульса) для некоторого повышения выходного напряжения.
Регулирующее напряжение в блоках питания вырабатывается, как правило, с помощью стабилитронов. Чаще всего это или им подобные.
При указанных на схеме номиналах деталей частота генератора около 1КГц, и в отличие от генератора на таймере 555, она при изменении скважности выходного сигнала не «плавает» - забота о постоянстве частоты импульсных блоков питания.
Чтобы регулировать значительную мощность, например, светодиодная лента, к выходу следует подключить ключевой каскад на транзисторе MOSFET, как было показано на рисунке 2.
Можно было бы и побольше рассказать о ШИМ - регуляторах, но пока остановимся на этом, а в следующей статье рассмотрим различные способы подключения светодиодов. Ведь не все способы одинаково хороши, есть такие, которых следует избегать, да и просто ошибок при подключении светодиодов случается предостаточно.
С микросхемой NE555 (аналог КР1006) знаком каждый радиолюбитель. Её универсальность позволяет конструировать самые разнообразные самоделки: от простого одновибратора импульсов с двумя элементами в обвязке до многокомпонентного модулятора. В данной статье будет рассмотрена схема включения таймера в режиме генератора прямоугольных импульсов с широтно-импульсной регулировкой.
С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышла на арену в роли регулятора яркости (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах. Устройства на её основе не требуют глубоких знаний электроники, собираются быстро и работают надёжно.
Известно, что управлять яркостью светодиода можно двумя способами: аналоговым и импульсным. Первый способ предполагает изменение амплитудного значения постоянного тока через светодиод. Такой способ имеет один существенный недостаток - низкий КПД. Второй способ подразумевает изменение ширины импульсов (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза. Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Она способна работать от 4,5 до 18 В, что свидетельствует о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и целой светодиодной лентой. Диапазон регулировки яркости колеблется от 5 до 95%. Устройство представляет собой доработанную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от ёмкости C1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц
Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U пит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3U пит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -U пит. Достигнув отметки 1/3U пит транзистор таймера закроется и C1 вновь начнет набирать ёмкость. В дальнейшем процесс повторяется циклически, формируя на выводе 3 прямоугольные импульсы.
Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) времени импульса на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, который включен по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно включенных мощных светодиодов включается в разрыв цепи стока VT1.
В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Но при этом транзистору может потребоваться теплоотвод.
Блокирующий конденсатор C2 исключает влияние помех, которые могут возникать по цепи питания в моменты переключения таймера. Величина его ёмкости может быть любой в пределах 0,01-0,1 мкФ.
Односторонняя печатная плата имеет размер 22х24 мм. Как видно из рисунка на ней нет ничего лишнего, что могло бы вызвать вопросы.
После сборки схема ШИМ-регулятора яркости не требует наладки, а печатная плата легка в изготовке своими руками. В плате, кроме подстроечного резистора, используются SMD элементы.
Транзистор VT1 должен подбираться в зависимости от мощности нагрузки. Например, для изменения яркости одноваттного светодиода достаточно будет биполярного транзистора с максимально допустимым током коллектора 500 мА.
Управление яркостью светодиодной ленты должно осуществляться от источника напряжения +12 В и совпадать с её напряжением питания. В идеале регулятор должен питаться от стабилизированного блока питания, специально предназначенного для ленты.
Нагрузка в виде отдельных мощных светодиодов запитывается иначе. В этом случае источником питания диммера служит стабилизатор тока (его еще называют драйвер для светодиода). Его номинальный выходной ток должен соответствовать току последовательно включенных светодиодов.
Читайте так же
Простейшая схема регулятора яркости светодиодов, представленная в этой статье, с успехом может быть применена в тюнинге автомобилей, ну и просто для повышения комфорта в машине в ночное время, например для освещения панели приборов, бардачков и так далее. Чтобы собрать это изделие, не нужно технических знаний, достаточно быть просто внимательным и аккуратным.
Напряжение 12 вольт считается полностью безопасным для людей. Если в работе использовать светодиодную ленту, то можно считать, что и от пожара вы не пострадаете, так как лента практически не греется и не может загореться от перегрева. Но аккуратность в работе нужна, что бы ни допустить короткого замыкания в смонтированном устройстве и как следствие пожара, а значит сохранить своё имущество.
Транзистор Т1, в зависимости от марки, может регулировать яркость светодиодов общей мощностью до 100 ватт, при условии, что он будет установлен на радиатор охлаждения соответствующей площади.
Работу транзистора Т1 можно сравнить с работой обыкновенного краника для воды, а потенциометра R1 – с его рукояткой. Чем больше откручиваешь – тем больше течёт воды. Так и здесь. Чем больше откручиваешь потенциометр – тем больше течёт ток. Закручиваешь – меньше течёт и меньше светят светодиоды.
Сегодня мы постараемся сделать контроллер, который будет регулировать яркость светодиода. Материалы для данного теста были взяты с сайта led22.ru из статьи "Светодиоды для авто своими руками". 2 основные детали, используемые в даннном эксперименте - стабилизатор тока LM317 и переменный резистор. Их можно увидеть на фотографии ниже. Отличие нашего эксперимента от приведенного в оригинальной статье - мы так и оcтавили переменный резистор для регулироваки света светодиода. В магазине радиодеталей (не самом дешевом, но всем очень известном) мы приобрели данные детали за 120 рублей (стабилизатор - 30р, резистор - 90р). Здесь хочется отметить, что резистор российского производства "тембр", обладающий максимальным сопротивлением в 1кОм.
Схема подключения: на правую ножку стабилизатора тока LM317 подается "плюс" от блока питания 12V. К левой и средней ножкам поключается резистор переменного тока. Так же, к левой ножке подключается плюсовая ножка светодиода. Минусовой провод от блока питания подключается к минусовой ножке светодиода.
Получается, что ток, проходя через Lm317, уменьшается до величины, заданной сопротивлением переменного резистора.
На практике решено было припаять стабилизатор прямо на резистор. Сделано это в первую очередь для отведения тепла от стабилизатора. Теперь он будет нагреваться вместе с резистором. На резисторе у нас расположено 3 контакта. Мы используем центральный и крайний. Какой имеено крайний использовать - для нас не важно. В зависимости от выбора, в одном случае при повороте ручки по часовой стрелке яркость будет увеличиваться, в противоположном случае - уменьшаться. Если подключить крайние контакты, сопротивление будет постоянно 1 кОм.
Припаиваем провода, как на схеме. К коричневому проводу будет подходить "плюс" от блока питания, синий - "плюс" к светодиоду. При пайке специально оставляем побольше олова, чтобы была лучше теплопередача.
И напоследок одеваем термоусадку, чтобы исключить возможность короткого замыкания. Теперь можно пробовать.
Для первого теста мы используем светодиоды:
1) Epistar 1W, рабочее напряжение - 4V (в нижней части следующей фотографии).
2) Плоский диод с тремя чипами, рабочее напряжение - 9V (в верхней части следующей фотографии).
Результаты (можно увидеть в следующем ролике) не могут не радовать: ни один диод не сгорел, яркость регулируется плавно от минимума до максимума. Для питания полупроводника основное значение имеет ток питания, а не напряжение (ток растет экспоненциально относительно напряжения, при повышении напряжения резко повышается вероятность "сжечь" светодиод.
После чего проводится тест со светодиодными модулями на 12V. И на них наш контроллер отрабатывает без проблем. Именно этого мы и добивались.
Спасибо за внимание!
