ШИМ-регулятор яркости на МК ATmega8, с батарейным питанием, и индикацией заряда.
Статья предназначена для лиц, обладающих некоторыми знаниями по радиоэлектронике, а именно:
Проект придумывался для установки на велосипед. С чего всё начиналось. Мы с друзьями частенько участвовали в ночных вело-покатушках, поэтому нужна была фара на велосипед. Ну а обычный фонарик ставить не хотелось… нужно было что-нибудь по функциональней. Например, с регулировкой яркости «маленькая / средняя / максимальная», а так как в качестве питания планировалось использовать литий-ионный аккумулятор, то нужен был ещё и индикатор уровня заряда. В интернете я видел много подобных проектов, но они чем-то меня не устраивали. Например, мне встречались проекты ШИМ-регуляторов яркости, но у них либо отсутствовал индикатор уровня заряда, либо индикатор уровня заряда был на 1…3 светодиодах, а мне не нравилась такая маленькая информативность. Ну что ж, делать так делать, и я взялся за сборку своего проекта. Итак, в качестве индикатора заряда я беру 10 светодиодов, а вернее, беру светодиодный «столбик», вот такой:
Данный светодиодный «столбик» я заказал в интернет-магазине (в нашем городе отсутствуют радиомагазины), поэтому он приедет только через пару недель. Вместо него я временно поставил 10 обычных светодиодов.
В качестве управляющего микроконтроллера я использовал ATmega8 (либо ATmega328), так как у данного МК имеется АЦП, при помощи которого я организовал измерение уровня заряда аккумулятора. Также у данного МК имеется достаточное количество выводов (а мы ведь хотим подключить аж 10 светодиодов). Данный микроконтроллер распространён в радиомагазинах, и стоит отностиельно дёшево – в пределах 50…100 рублей, в зависимости от жадности магазина и типа корпуса.
Чтобы понять, как работает устройство, посмотрим на блок-схему:
В данной статье описывается только то, что касается ШИМ-регулятора (левая часть блок-схемы), а драйвер светодиода и сам светодиод Вы выбираете на свой вкус, тот который Вам больше подходит. Мне подходит драйвер ZXSC400, поэтому его я буду рассматривать как пример.
ШИМ-регулятор должен быть подключен к светодиодному драйверу, у которого есть функция регулировки яркости (DIM, PWM, и т. п.), например, ZXSC400. Можно использовать любой другой подходящий драйвер, главное чтобы он поддерживал ШИМ-регулировку яркости, и питался от того же аккумулятора, которым питается ШИМ-регулятор. Для тех, кто не знает что такое светодиодный драйвер – поясню: драйвер нужен для того, чтобы светодиод светился одинаково ярко как при заряженном аккумуляторе, так и при севшем аккумуляторе. Иными словами – драйвер светодиода поддерживает стабильный ток через светодиод.
Типовая схема включения светодиодного драйвера ZXSC400:
Питание этой схемы нужно соединить с питанием нашего ШИМ-регулятора, а ШИМ-выход с регулятора нужно подключить ко входу «STDN» драйвера ZXSC400. Вывод «STDN» как раз служит для регулировки яркости при помощи ШИМ сигнала. Аналогичным способом можно подключить ШИМ-регулятор ко многим другим светодиодным драйверам, но это уже отдельная тема.
Алгоритм работы устройства. При подаче питания, МК на 1 секунду отображает уровень заряда аккумулятора (на светодиодной шкале из 10 светодиодов), затем светодиодная шкала гаснет, МК переходит в режим энергосбережения, и ждёт команд управления. Всё управление я сделал на одной кнопке, чтобы на велосипеде тянуть меньше проводов. При удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор включается, на ШИМ-выход подаётся сигнал со скважностью 30% (1/3 яркости светодиода). При повторном удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор выключается, на ШИМ-выход не подаётся сигнал (скважность 0%). При кратковременном нажатии на кнопку, происходит переключение яркости 30% - 60% - 100%, а также на 1 секунду отображается заряд аккумулятора. Таким образом, однократное нажатие изменяет яркость светодиода, а долгое нажатие включает/выключает светодиод. Для проверки работоспособности ШИМ-регулятора, я подключил к его выходу обычный светодиод, но ещё раз повторюсь – исключительно в целях проверки работоспособности. В дальнейшем я подключу ШИМ-регулятор к драйверу ZXSC400. Более подробно и наглядно работа устройства показывается на видео (ссылка в конце статьи).
Также процесс регулировки яркости показывает следующая схема:
Что делать, если не устраивают данные значения яркости? Например, хочется чтобы было так: 1 %, затем 5 %, затем 100 %. Я предусмотрел и такой вариант. Теперь пользователь может сам установить эти три значения яркости, какие ему хочется! Для этого я написал небольшую программку, которая на основе желаемых значений генерирует файл для прошивки EEPROM. Прошив в микроконтроллер данный файл, яркости соответственно поменяются на желаемые. Прилагаю скриншот окна программы:
Если не прошивать файл EEPROM, то значения яркости останутся «по умолчанию» - 30 %, 60 %, 100 %. Правильно собранное устройство не нуждается в настройке. При желании можно лишь настроить минимальную, среднюю, и максимальную яркость по своему усмотрению. Программка и инструкция по использованию находятся в конце статьи.
Выбор используемого аккумулятора. Я использовал Li-ion аккумулятор ввиду его распространённости и дешевизны. Но в схеме я предусмотрел перемычку J1, при помощи которой можно выбрать, что мы используем в качестве питания.
Если перемычка J1 находится в положении «1», то используется один Li-ion аккумулятор. Если перемычка J1 находится в положении «2», то используются три обычные батарейки типа AAA/AA/C/D, соединённые последовательно. Перемычка J1 необходима для правильного отображения уровня заряда аккумулятора, так как у Li-ion аккумулятора рабочее напряжение находится примерно в диапазоне 3,3…4,2в, а у обычных батареек рабочее напряжение примерно равно 3,0…4,5в. Таблицы соответствия напряжений аккумулятора с показаниями индикатора я приложил внизу статьи.
Индикаторные светодиоды. Светодиоды, отображающие уровень заряда аккумулятора, могут быть любыми. Подстроить их яркость в небольших пределах можно при помощи изменения номинала токоограничивающего резистора R1. Для отображения уровня заряда используется динамическая индикация, благодаря которой достигается экономия энергии, так как в один момент времени светится только один светодиод. Про индикацию уровня заряда аккумулятора также можно посмотреть на видео (ссылка в конце статьи).
Микроконтроллер может быть как ATmega8, так и ATmega328. Оба этих микроконтроллера совместимы по расположению контактов, и различаются лишь содержанием «прошивки». Я использовал ATmega328, так как этот МК был у меня в наличии. В целях снижения энергопотребления, микроконтроллер работает от внутреннего RC-генератора на 1 МГц. Программа микроконтроллера написана в среде 4.3.6.61 (или 4.3.9.65).
В схеме применена микросхема-источник опорного напряжения TL431. С её помощью достигается неплохая точность измерения напряжения аккумулятора. Питание на TL431 подаётся с вывода PC1 микроконтроллера через резистор R3. Подача напряжения питания на TL431 происходит только во время индикации уровня заряда. После того, как светодиоды индикации гаснут, подача питающего напряжения прекращается, обеспечивая экономию энергии аккумулятора. Микросхему TL431 можно найти в негодных блоках питания от компьютеров, в сломанных зарядных устройствах от сотовых телефонов, в импульсных блоках питания от ноутбуков и различной радиоэлектронной техники. Я применил TL431 в корпусе SOIC-8 (smd вариант), но TL431 больше распространена в корпусе TO-92, поэтому я сделал несколько вариантов печатных плат.
Об эмуляции в программе " ". Проект в Proteus работает некорректно. Ввиду того, что модель ATmega8 не выходит из спящего режима, а также с тормозами отображается динамическая индикация. Если после запуска проекта, сразу удерживать кнопку, чтобы ШИМ-регулятор включился, то всё работает. Но стОит повторным удерживанием кнопки выключить ШИМ-регулятор, как МК погрузится в сон, и больше не проснётся (до перезапуска проекта). Проект в Proteus не прилагаю. Кто хочет поиграться – пишите, вышлю проект в Proteus.
Основные технические характеристики:
Ниже вы можете скачать прошивки для МК ATmega8 и ATmega328
Шутов Максим, г.Вельск
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| U1 | МК AVR 8-бит | ATmega8-16PU | 1 | В блокнот | |||
| U2 | ИС источника опорного напряжения | TL431ILP | 1 | В блокнот | |||
| Резисторы | |||||||
| R1, R2 | Резистор постоянный SMD 1206 | 330 Ом | 2 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор постоянный SMD 1206 | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор постоянный SMD 1206 | 10 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор постоянный SMD 1206 | 47 кОм | 1 | В блокнот | |||
| Резистор постоянный SMD 1206 | |||||||
Стандартная схема драйвера светодиодов РТ4115 представлена на рисунке ниже:
Напряжение питания должно быть по-крайней мере на 1.5-2 вольта выше, чем суммарное напряжение на светодиодах. Соответственно, в диапазоне питающих напряжений от 6 до 30 вольт, к драйверу можно подключить от 1 до 7-8 светодиодов.
Максимальное напряжение питания микросхемы 45 В , но работа в таком режиме не гарантируется (лучше обратите внимание на аналогичную микросхему ).
Ток через светодиоды имеет треугольную форму с максимальным отклонением от среднего значения ±15%. Средний ток через светодиоды задается резистором и рассчитывается по формуле:
I LED = 0.1 / R
Минимально допустимое значение R = 0.082 Ом, что соответствует максимальному току 1.2 А.
Отклонение тока через светодиод от расчетного не превышает 5%, при условии монтажа резистора R с максимальным отклонением от номинала 1%.
Итак, для включения светодиода на постоянную яркость вывод DIM оставляем висеть в воздухе (он внутри PT4115 подтянут к уровню 5В). При этом ток на выходе определяется исключительно сопротивлением R.
Если между выводом DIM и "землей" включить конденсатор, мы получим эффект плавного зажигания светодиодов. Время выхода на максимальную яркость будет зависеть от емкости конденсатора, чем она больше, тем дольше будет разгораться светильник.
Для справки:
каждый нанофарад емкости увеличивает время включения на 0.8 мс.
Если же требуется сделать диммируемый драйвер для светодиодов с регулировкой яркости от 0 до 100%, то можно прибегнуть к одному из двух способов:
Схема драйвера светодиодов PT4115 с регулятором яркости постоянным напряжением представлена на рисунке ниже:
Такая схема регулировки яркости светодиодов прекрасно работает благодаря тому, что внутри микросхемы вывод DIM "подтянут" к шине 5В через резистор сопротивлением 200 кОм. Поэтому, когда ползунок потенциометра находится в крайнем нижнем положении, образуется делитель напряжения 200 + 200 кОм и на выводе DIM формируется потенциал 5/2=2.5В, что соответствует 100%-ой яркости.
В первый момент времени, при подаче входного напряжения, ток через R и L равен нулю и встроенный в микросхему выходной ключ открыт. Ток через светодиоды начинает плавно нарастать. Скорость нарастания тока зависит от величины индуктивности и напряжения питания. Внутрисхемный компаратор сравнивает потенциалы до и после резистора R и, как только разница составит 115 мВ, на его выходе появляется низкий уровень, который закрывает выходной ключ.
Благодаря запасенной в индуктивности энергии, ток через светодиоды не исчезает мгновенно, а начинает плавно уменьшаться. Постепенно уменьшается и падение напряжения на резисторе R. Как только оно достигнет величины в 85 мВ, компаратор снова выдаст сигнал на открытие выходного ключа. И весь цикл повторяется сначала.
Если необходимо уменьшить размах пульсаций тока через светодиоды, допускается подключить конденсатор параллельно светодиодам. Чем больше будет его емкость, тем сильнее будет сглажена треугольная форма тока через светодиоды и тем более она станет похожа на синусоидальную. Конденсатор не влияет на рабочую частоту или эффективность работы драйвера, но увеличивает время установления заданного тока через светодиод.
Важным элементом схемы является конденсатор C1. Он не просто сглаживает пульсации, но и компенсирует энергию, накопленную в катушке индуктивности в момент закрытия выходного ключа. Без C1 запасенная в дросселе энергия поступит через диод Шоттки на шину питания и может спровоцировать пробой микросхемы. Поэтому если включить драйвер без шунтирующего питание конденсатора, микросхема почти гарантированно накроется. И чем больше индуктивность дросселя, тем больше шансов спалить микруху.
Минимальная емкость конденсатора C1 - 4.7 мкФ (а при питании схемы пульсирующим напряжением после диодного моста - не менее 100 мкФ).
Конденсатор должен располагаться как можно ближе к микросхеме и иметь как можно более низкое значение ESR (т.е. танталовые кондеры приветствуются).
Также очень важно ответственно подойти к выбору диода. Он должен иметь малое прямое падение напряжения, короткое время восстановления во время переключения и стабильность параметров при повышении температуры p-n перехода, чтобы не допустить увеличения тока утечки.
В принципе, можно взять и обычный диод, но лучше всего под эти требования подходят диоды Шоттки. Например, STPS2H100A в SMD-исполнении (прямое напряжение 0.65V, обратное - 100V, ток в импульсе до 75А, рабочая температура до 156°C) или FR103 в корпусе DO-41 (обратное напряжение до 200V, ток до 30А, температура до 150°C). Очень неплохо себя показали распространенные SS34 , которые можно надергать из старых плат или купить целую пачку за 90 рублей .
Индуктивность дросселя зависит от выходного тока (см. таблицу ниже). Неверно выбранное значение индуктивности может привести к увеличению рассеиваемой на микросхеме мощности и выходу за пределы рабочего температурного режима.
При перегреве выше 160°C микросхема автоматически выключится и будет находиться в выключенном состоянии до тех пор пока не остынет до 140°C, после чего запустится автоматически.
Несмотря на имеющиеся табличные данные, допускается монтаж катушки с отклонением индуктивности в большую сторону от номинала. При этом изменяется КПД всей схемы, но она остается работоспособной.
Дроссель можно взять фабричный, а можно сделать своими руками из ферритового кольца от сгоревшей материнской платы и провода ПЭЛ-0,35.
Если важна максимальная автономность устройства (переносные светильники, фонари), то, в целях повышения эффективности схемы, имеет смысл потратить время на тщательный подбор дросселя. На малых токах индуктивность должна быть больше, чтобы минимизировать погрешности управления током, возникающие из-за задержки при переключении транзистора.
Дроссель должен располагаться как можно ближе к выводу SW, в идеале - подключен напрямую к нему.
И, наконец, самый прецизионный элемент схемы драйвера светодиода - резистор R. Как уже было сказано, его минимальное значение равно 0,082 Ом, что соответствует току 1,2 А.
К сожалению, не всегда удается найти резистор подходящего номинала, поэтому самое время вспомнить формулы расчета эквивалентного сопротивления при последовательном и параллельном включении резисторов:
Комбинируя различные способы включения, можно получить требуемое сопротивление из нескольких имеющихся под рукой резисторов.
Важно так развести плату, чтобы ток диода Шоттки не протекал по дорожке между R и VIN, так как это может привести к погрешностям измерения тока нагрузки.
Низкая стоимость, высокая надежность и стабильность характеристик драйвера на РТ4115 способствует его повсеместному использованию в светодиодных лампах. Практически каждая вторая 12-вольтовая LED-лампа с цоколем MR16 собрана на PT4115 (или СL6808).
Сопротивление токозадающего резистора (в Омах) рассчитывается точно по такой же формуле:
R = 0.1 / I LED [A]
Типовая схема включения выглядит так:
Как видите, все очень похоже на схему светодиодной лампы с драйвером на РТ4515. Описание работы, уровни сигналов, особенности используемых элементов и компоновки печатной платы точно такие же как у , поэтому повторяться не имеет смысла.
CL6807 продают по 12 руб/шт, надо только смотреть, чтоб не подсунули паяные (рекомендую брать ).
SN3350 - очередная недорогая микросхема для светодиодных драйверов (13 руб/штучка). Является практически полным аналогом PT4115 с той лишь разницей, что напряжение питания может лежать в диапазоне от 6 до 40 вольт, а максимальный выходной ток ограничен 750 миллиамперами (длительный ток не должен превышать 700 мА).
Как и все вышеописанные микросхемы, SN3350 представляет собой импульсный step-down преобразователь с функцией стабилизации выходного тока. Как обычно, ток в нагрузке (а в нашем случае в роли нагрузки выступают один или несколько светодиодов) задается сопротивлением резистора R:
R = 0.1 / I LED
Чтобы не превысить значение максимального выходного тока, сопротивление R не должно быть ниже 0.15 Ом.
Микросхема выпускается в двух корпусах: SOT23-5 (максимум 350 мА) и SOT89-5 (700 мА).
Как обычно, подавая постоянное напряжение на вывод ADJ, мы превращаем схему в простейший регулируемый драйвер для светодиодов.
Особенностью данной микросхемы является несколько иной диапазон регулировки: от 25% (0.3В) до 100% (1.2В). При снижении потенциала на выводе ADJ до 0.2В, микросхема переходит в спящий режим с потреблением в районе 60 мкА.
Типовая схема включения:
Остальные подробности смотрите в спецификации на микросхему (pdf-файл).
Не смотря на то, что эта микросхема является очередным клоном , некоторые отличия в технических характеристиках не допускают их прямую замену друг на друга.
Вот главные отличия:
Максимальное напряжение, которое можно подавать на вход регулировки яркости (ADJ) составляет 6В. При этом в диапазоне от 2.5 до 6В драйвер выдает максимальный ток, который задан токоограничительным резистором. Сопротивление резистора рассчитывается точно так же, как во всех вышеперечисленных микросхемах:
R = 0.1 / I LED
Минимальное сопротивление резистора - 0.27 Ом.
Типовая схема включения ничем не отличается от своих собратьев:
Без конденсатора С1 подавать питание не схему НЕЛЬЗЯ!!! В лучшем случае микросхема будет перегреваться и выдавать нестабильные характеристики. В худшем случае - мгновенно выйдет из строя.
Более подробные характеристики ZXLD1350 можно найти в даташите на эту микросхему .
Стоимость микросхемы неоправданно высокая (), при том, что выходной ток довольно небольшой. В общем, сильно на любителя. Я б не связывался.
QX5241 - это китайский аналог MAX16819 (MAX16820), но в более удобном корпусе. Также выпускается под наименованиями KF5241, 5241B. Имеет маркировку "5241a" (см. фото).
В одном известном магазине их продают чуть ли не на вес (10 штук за 90 руб).
Драйвер работает по точно такому же принципу, как и все вышеописанные (понижающий преобразователь непрерывного действия), однако не содержит в своем составе выходной ключ, поэтому для работы требуется подключение внешнего полевого транзистора.
Можно взять любой N-канальный MOSFET с подходящим током стока и напряжением сток-исток. Подойдут, например, такие: SQ2310ES (до 20V!!!), 40N06 , IRF7413 , IPD090N03L , IRF7201 . Вообще, чем ниже будет напряжение открытия, тем лучше.
Вот некоторые ключевые характеристики LED-драйвера на QX5241:
Более подробно читайте в спецификации (на инглише).
Светодиодный драйвер на QX5241 содержит мало деталей и собирается всегда по такой схеме:
Микросхема 5241 бывает только в корпусе SOT23-6, так что со паяльником для пайки кастрюль к ней лучше не подходить. После монтажа плату следует хорошенько промывать от флюса, любые непонятные загрязнения могут негативно сказываться на режиме работы микросхемы.
Разница между питающим напряжением и суммарным падением напряжения на диодах должно быть вольта 4 (или больше). Если меньше - то наблюдаются какие-то глюки в работе (нестабильность тока и свист дросселя). Так что берите с запасом. Причем, чем больше выходной ток, тем больше запас по напряжению. Хотя, возможно, мне просто попался неудачный экземпляр микросхемы.
Если входное напряжение меньше, чем общее падение на светодиодах, то генерация срывается. При этом выходной полевик полностью открывается и светодиоды светятся (естественно, не на полную мощность, так как напряжения маловато).
Diodes Incorporated создала одну весьма интересную микросхему драйвера светодиодов: AL9910. Любопытна она тем, что ее рабочий диапазон напряжений позволяет подключать ее прямо к сети 220В (через простой диодный выпрямитель).
Вот ее основные характеристики:
Драйвер, собранный на микросхеме AL9910 не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому должен использоваться только там, где невозможно прямое прикосновение к элементам схемы.
Для управления 12 В светодиодными лентами вспомогательного освещения. Сначала думал, что найти подобное устройство легко в наше время, но это оказалось сложнее. Все, что попадалось в магазинах, либо не отвечают моим требованиям, либо очень дорого. Поэтому решил построить собственный, специально для моих потребностей.
Мои светодиодные ленты потребляют 20 Ватт на метр и там максимум 5 метров светодиодной ленты на диммер, поэтому нужна мощность около 100 Вт. Максимальный ток получился около 8.3 ампера.
Естественно, суммарная рассеиваемая мощность в диммере должна быть ниже, скажем, 1 ватта. Поэтому если мы используем один FET, нам нужно значение Rds - 14.5 мОм. А если надо - всегда можем параллельно впаять два или более, при необходимости снизить сопротивление канала.
Управление яркостью простым переменным резистором - это самый простой способ управления диммером, но такие устройства в продаже трудно найти. Большинство имеющихся в магазинах диммеров оснащены ИК-пультами дистанционного управления. На мой взгляд не нужное усложнение.
Всего нужны 3 комплекта, так что стоимость была тоже важным фактором. Все приличные диммеры я мог найти по цене $50 и выше. А тут можно уложится в данную цену за все.
Большинство из дистанционно управляемых регуляторов имеют только 8 уровней яркости. И все, что я нашел, работает линейно, что делает схемы лишёнными смысла. Люди воспринимают яркость логарифмически, а не линейно. Так что переход от 1% до 2% выглядит так же, как от 50% до 100%.
Линейный контроль не даст вам точной регулировки на нижнем пределе. В идеале, надо иметь экспоненциальную передаточную функцию от регулятора по скважности ШИМ для компенсации логарифмической природы человеческого видения. И самый простой способ сделать это - с помощью микроконтроллера.
В основе этой конструкции - 8-битный микроконтроллер PIC16F1936. Ничего особенного в этой конкретной модели нету, просто я использовал их несколько раз прежде и все еще имели некоторый запас.
А LM2931 обеспечивает стабильное 5 вольт от 12 вольт входного напряжения. Я использую LM2931 как стандартный стабилизатор на 5 В. Он совместим с легендарным регулятором 7805, но выживает при входных напряжениях в диапазоне от -50 до +60 вольт, что делает его очень надежным в плане возможных переходных процессов.
МК управляет LM5111 - двойной FET драйвер, который обеспечивает мощный 12В выход через пару IPB136N08N3 - N-канальные транзисторы. Он недорогой, SMD типа и отличное Rds - 11.5 мОм.
Итого: если вам необходим LED диммер к лентам, есть паяльник и немного свободного времени - имеет смысл построить свой собственный прибор. Это не слишком сложно. А к схеме прилагается файл со всеми нужными eagle файлами, макетами, схемой, а также программным обеспечением.
Rich Rosen, National Semiconductor
Введение
Экспоненциальный рост количества светодиодных источников света сопровождается столь же бурным расширением ассортимента интегральных схем, предназначенных для управления питанием светодиодов. Импульсные драйверы светодиодов давно заменили неприемлемые для озабоченного экономией энергии мира прожорливые линейные регуляторы, став для отрасли фактическим стандартом. Любые приложения, от ручного фонарика до информационных табло на стадионах, требуют точного управления стабилизированным током. При этом часто бывает необходимо в реальном времени изменять интенсивность излучения светодиодов. Управление яркостью источников света, и, в частности, светодиодов, называется диммированием. В данной статье излагаются основы теории светодиодов и описываются наиболее популярные методы диммирования с помощью импульсных драйверов.
Яркость и цветовая температура светодиодов
Яркость светодиодов
Концепцию яркости видимого сета, испускаемого светодиодом, понять довольно легко. Числовое значение воспринимаемой яркости излучения светодиода может быть легко измерено в единицах поверхностной плотности светового потока, называемых кандела (кд). Суммарная мощность светового излучения светодиода выражается в люменах (лм). Важно понимать, также, что яркость светодиода зависит от средней величины прямого тока.
На Рисунке 1 изображен график зависимости светового потока некоторого светодиода от прямого тока. В области используемых значений прямых токов (I F) график исключительно линеен. Нелинейность начинает проявляться при увеличении I F . При выходе тока за пределы линейного участка эффективность светодиода уменьшается.
| Рисунок 1. | |
При работе вне линейной области значительная часть подводимой к светодиоду мощности рассеивается в виде тепла. Это потраченное впустую тепло перегружает драйвер светодиода и усложняет тепловой расчет конструкции.
Цветовая температура светодиодов
Цветовая температура является параметром, характеризующим цвет светодиода, и указывается в справочных данных. Цветовая температура конкретного светодиода описывается диапазоном значений и смещается при изменении прямого тока, температуры перехода, а также, по мере старения прибора. Чем ниже цветовая температура светодиода, тем ближе его свечение к красно-желтому цвету, называемому «теплым». Более высоким цветовым температурам соответствуют сине-зеленые цвета, называемые «холодными». Нередко для цветных светодиодов вместо цветовой температуры указывается доминирующая длина волны, которая может смещаться точно также, как цветовая температура.
Способы управления яркостью свечения светодиодов
Существуют два распространенных способа управления яркостью (диммирования) светодиодов в схемах с импульсными драйверами: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и аналоговое регулирование. Оба способа сводятся, в конечном счете, к поддержанию определенного уровня среднего тока через светодиод, или цепочку светодиодов. Ниже мы обсудим различия этих способов, оценим их преимущества и недостатки.
На Рисунке 2 изображена схема импульсного драйвера светодиода в конфигурации понижающего преобразователя напряжения. Напряжение V IN в такой схеме всегда должно превышать сумму напряжений на светодиоде и резисторе R SNS . Ток дросселя целиком протекает через светодиод и резистор R SNS , и регулируется напряжением, подаваемым с резистора на вывод CS. Если напряжение на выводе CS начинает опускаться ниже установленного уровня, коэффициент заполнения импульсов тока, протекающего через L1, светодиод и R SNS увеличивается, вследствие чего увеличивается средний ток светодиода.
Аналоговое диммирование
Аналоговое диммирование - это поцикловое управление прямым током светодиода. Проще говоря, это поддержание тока светодиода на постоянном уровне. Аналоговое диммирование выполняется либо регулировкой резистора датчика тока R SNS , либо изменением уровня постоянного напряжения, подаваемого на вывод DIM (или аналогичный вывод) драйвера светодиодов. Оба примера аналогового управления показаны на Рисунке 2.
Аналоговое диммирование регулировкой R SNS
Из Рисунка 2 видно, что при фиксированном опорном напряжении на выводе CS изменение величины R SNS вызывает соответствующее изменение тока светодиода. Если бы было возможно найти потенциометр с сопротивлением менее одного Ома, способный выдержать большие токи светодиода, такой способ диммирования имел бы право на существование.
Аналоговое диммирование с помощью управления напряжением питания через вывод CS
Более сложный способ предполагает прямое поцикловое управление током светодиода с помощью вывода CS. Для этого, в типичном случае, в петлю обратной связи включается источник напряжения, снимаемого с датчика тока светодиода и буферизованного усилителем (Рисунок 2). Для регулировки тока светодиода можно управлять коэффициентом передачи усилителя. В эту схему обратной связи несложно ввести дополнительную функциональность, такую, например, как токовую и температурную защиту.
Недостатком аналогового диммирования является то, что цветовая температура излучаемого света может зависеть от прямого тока светодиода. В тех случаях, когда изменение цвета свечения недопустимо, диммирование светодиода регулированием прямого тока применяться не может.
Диммирование с помощью ШИМ
Диммирование с помощью ШИМ заключается в управлении моментами включения и выключения тока через светодиод, повторяемыми с достаточно высокой частотой, которая, с учетом физиологии человеческого глаза, не должна быть меньше 200 Гц. В противном случае, может проявляться эффект мерцания.
Средний ток через светодиод теперь становится пропорциональным коэффициенту заполнения импульсов и выражается формулой:
I DIM-LED = D DIM × I LED
I DIM-LED - средний ток через светодиод,
D DIM - коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
I LED - номинальный ток светодиода, устанавливаемый выбором величины сопротивления R SNS (см. Рисунок 3).
 |
|
| Рисунок 3. | |
Модуляция драйвера светодиодов
Многие современные драйверы светодиодов имеют специальный вход DIM, на который можно подавать ШИМ сигналы в широким диапазоне частот и амплитуд. Вход обеспечивает простой интерфейс со схемами внешней логики, позволяя включать и выключать выход преобразователя без задержек на перезапуск драйвера, не затрагивая при этом работы остальных узлов микросхемы. С помощью выводов разрешения выхода и вспомогательной логики можно реализовать ряд дополнительных функций.
Двухпроводное ШИМ-диммирование
Двухпроводное ШИМ-диммирование приобрело популярность в схемах внутренней подсветки автомобилей. Если напряжение на выводе VINS становится на 70% меньше, чем на VIN (Рисунок 3), работа внутреннего силового MOSFET транзистора запрещается, и ток через светодиод выключается. Недостаток метода заключается в необходимости иметь схему формирователя сигнала ШИМ в источнике питания преобразователя.
Быстрое ШИМ-диммирование с шунтирующим устройством
Запаздывание моментов включения и выключения выхода конвертора ограничивает частоту ШИМ и диапазон изменения коэффициента заполнения. Для решения этой проблемы параллельно светодиоду, или цепочке светодиодов, можно подключить шунтирующее устройство, такое, скажем, как MOSFET транзистор, показанный на Рисунке 4а, позволяющий быстро пустить выходной ток преобразователя в обход светодиода (светодиодов).
 |
|
| а) | |
 |
|
| б) | |
| Рисунок 4. | Быстрое ШИМ диммирование (а), формы токов и напряжений (б). |
Ток дросселя на время выключения светодиода остается непрерывным, благодаря чему нарастание и спад тока перестают затягиваться. Теперь время нарастания и спада ограничивается только характеристиками MOSFET транзистора. На Рисунке 4а изображена схема подключения шунтирующего транзистора к светодиоду, управляемому драйвером LM3406 , а на Рисунке 4б показаны осциллограммы, иллюстрирующие различие результатов, получаемых при диммировании с использованием вывода DIM (сверху), и при подключении шунтирующего транзистора (внизу). В обоих случаях выходная емкость равнялась 10 нФ. Шунтирующий MOSFET транзистор типа .
При шунтировании тока светодиодов, управляемых преобразователями со стабилизаций тока, надо учитывать возможность возникновения бросков тока при включении MOSFET транзистора. В семействе драйверов светодиодов LM340x предусмотрено управление временем включения преобразователей, что позволяет решить проблему выбросов. Для сохранения максимальной скорости включения/выключения емкость между выводами светодиода должна быть минимальной.
Существенным недостатком быстрого ШИМ-диммирования, по сравнению с методом модуляции выхода преобразователя, является снижение КПД. При открытом шунтирующем приборе на нем рассеивается мощность, выделяющаяся в виде тепла. Для снижения таких потерь следует выбирать MOSFET транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала R DS-ON .
Многорежимный диммер LM3409
Если упустить подробности и объяснения, то схема регулировки яркости светодиодов предстанет в самом простом виде. Такое управление отлично от метода ШИМ, который мы рассмотрим чуть позже.
Итак, элементарный регулятор будет включать в себя всего четыре элемента:
И резистор, и стабилизатор можно купить в любом радиомагазине. Подключаются они точно так, как показано на схеме. Отличия могут заключаться в индивидуальных параметрах каждого элемента и в способе соединения стабилизатора и резистора (проводами или пайкой напрямую).
Собрав своими руками такую схему за несколько минут, вы сможете убедиться, что меняя сопротивление, то есть, вращая ручку резистора, вы будете осуществлять регулировку яркости лампы.
В показательном примере аккумулятор берут на 12 Вольт, резистор на 1 кОм, а стабилизатор используют на самой распространенной микросхеме Lm317. Схема хороша тем, что помогает нам сделать первые шаги в радиоэлектронике. Это аналоговый способ управления яркость. Однако он не подойдет для приборов, требующих более тонкой регулировки.
Теперь разберем вопрос немного подробнее, узнаем, зачем нужна регулировка яркости, и как можно по-другому управлять яркостью светодиодов.
В некоторых приборах просто уменьшать значение тока, увеличивая сопротивление, нельзя, поскольку это может привести к изменению белого цвета на зеленоватый. К тому же увеличение сопротивления приводит к нежелательному повышенному выделению тепла.
Выходом из, казалось бы, сложной ситуации стало ШИМ управление (широтно-импульсная модуляция). Ток на светодиод подается импульсами. Причем значение его либо ноль, либо номинальное – самое оптимальное для свечения. Получается, что светодиод периодически то загорается, то гаснет. Чем больше время свечении, тем ярче, как нам кажется, светит лампа. Чем меньше время свечения, тем лампочка светит тусклее. В этом и состоит принцип ШИМ.
Управлять яркими светодиодами и светодиодными лентами можно непосредственно с помощью мощных МОП-транзисторов или, как их еще называют, MOSFET. Если же требуется управлять одной-двумя маломощными светодиодными лампочками, то в роли ключей используют обычные биполярные транзисторы или подсоединяют светодиоды напрямую к выходам микросхемы.
Вращая ручку реостата R2, мы будет регулировать яркость свечения светодиодов. Здесь представлены светодиодные ленты (3 шт.), которые присоединили к одному источнику питания.
Зная теорию, можно собрать схему ШИМ устройства самостоятельно, не прибегая к готовым стабилизаторам и диммерам. Например, такую, как предлагается на просторах интернета.
NE555 – это и есть генератор импульсов, в котором все временные характеристики стабильны. IRFZ44N – тот самый мощный транзистор, способный управлять нагрузкой высокой мощности. Конденсаторы задают частоту импульсов, а к клеммам «выход» подсоединятся нагрузка.
Поскольку светодиод обладает малой инертностью, то есть, очень быстро загорается и гаснет, то метод ШИМ регулирования является оптимальным для него.
Регулятор, который продается в готовом виде для светодиодных ламп, называются диммером. Частота импульсов, создавая им, достаточно велика для того, чтобы мы не чувствовали мерцания. Благодаря ШИМ контролеру осуществляется плавная регулировка, позволяющая добиваться максимальной яркости свечения или угасания лампы.
Встраивая такой диммер в стену, можно пользоваться им, как обычным выключателем. Для исключительно удобства регулятор яркости светодиодов может управляться радио пультом.
Способность ламп, созданных на основе светодиодов, менять свою яркость открывает большие возможности для проведения световых шоу, создания красивой уличной подсветки. Да и обычным карманным фонариком становится значительно удобнее пользоваться, если есть возможность регулировать интенсивность его свечения.
