LED-Helligkeitsregelung

In einigen Fällen, beispielsweise bei Taschenlampen oder Heimleuchten, muss die Helligkeit des Glühens angepasst werden. Es scheint einfacher zu sein: Ändern Sie einfach den Strom durch die LED, erhöhen oder verringern Sie ihn Widerstandsbegrenzungswiderstand. In diesem Fall wird jedoch ein erheblicher Teil der Energie für den Begrenzungswiderstand aufgewendet, was bei einer autonomen Stromversorgung durch Batterien oder Akkumulatoren völlig inakzeptabel ist.

Außerdem ändert sich die Farbe der LEDs: Weiß, wenn der Strom niedriger als der Nennwert ist (für die meisten LEDs 20 mA), hat einen leicht grünlichen Farbton. Eine solche Farbänderung ist in einigen Fällen völlig nutzlos. Stellen Sie sich vor, diese LEDs beleuchten den Bildschirm eines Fernsehgeräts oder Computermonitors.

Das Prinzip der PWM - Regulierung

In diesen Fällen gelten PWM - Regelung (Impulsbreite). Seine Bedeutung ist das LED leuchtet regelmäßig auf und geht aus. In diesem Fall bleibt der Strom während der gesamten Blitzzeit nominal, daher wird das Lumineszenzspektrum nicht verzerrt. Wenn die LED weiß ist, werden keine grünen Farbtöne angezeigt.

Darüber hinaus sind bei dieser Methode der Leistungsregelung die Energieverluste minimal, der Wirkungsgrad von PWM-gesteuerten Schaltkreisen ist sehr hoch und erreicht über 90 Prozent.

Das Prinzip der PWM-Steuerung ist recht einfach und in Abbildung 1 dargestellt. Ein anderes Verhältnis der Zeit des beleuchteten und des gelöschten Zustands im Auge wird als wahrgenommen unterschiedliche Helligkeit: wie in einem Film - separat gezeigte abwechselnd Frames werden als Bewegtbild wahrgenommen. Es hängt alles von der Frequenz der Projektion ab, auf die später noch eingegangen wird.

Abbildung 1. Das Prinzip der PWM-Regulierung

Die Abbildung zeigt die Signaldiagramme am Ausgang des PWM-Steuergeräts (oder eines Master-Oszillators). Null und Eins werden durch angezeigt logische Ebenen: Logische Einheit (hoher Pegel) bewirkt, dass die LED leuchtet, logische Null (niedriger Pegel) bzw. Löschung.

Obwohl alles umgekehrt sein kann, kann die LED niedrig und ausgeschaltet werden, nur hoch, da alles von der Schaltung des Ausgangsschlüssels abhängt. In diesem Fall hat die physikalisch logische Einheit einen niedrigen Spannungspegel und die logische Null ist hoch.

Mit anderen Worten, eine logische Einheit bewirkt die Aufnahme eines Ereignisses oder Prozesses (in unserem Fall blinkt die LED), und eine logische Null sollte diesen Prozess deaktivieren. Das heißt, nicht immer ein hoher Pegel am Ausgang einer digitalen Mikroschaltung ist eine LOGIC-Einheit, alles hängt davon ab, wie eine bestimmte Schaltung aufgebaut ist. Dies dient zur Information. Im Moment gehen wir jedoch davon aus, dass der Schlüssel von einer hohen Ebene gesteuert wird und es einfach nicht anders sein kann.

Frequenz und Breite der Steuerimpulse

Es ist zu beachten, dass die Impulswiederholungsperiode (oder Frequenz) unverändert bleibt. Im Allgemeinen beeinflusst die Pulsfrequenz jedoch nicht die Helligkeit des Glühens, daher gibt es keine besonderen Anforderungen an die Stabilität der Frequenz. In diesem Fall ändert sich nur die Dauer (WIDTH) eines positiven Impulses, wodurch der gesamte Mechanismus der Impulsbreitenmodulation funktioniert.

Die Dauer der Steuerimpulse in 1 wird in %% ausgedrückt. Dies ist der sogenannte "Füllfaktor" oder in der englischen Terminologie DUTY CYCLE. Sie wird als Verhältnis der Dauer des Steuerimpulses zur Impulswiederholungsperiode ausgedrückt.

In der russischen Terminologie wird normalerweise verwendet "Arbeitszyklus" - das Verhältnis der Periode zum Zeitimpulsa. Wenn also der Füllfaktor 50% beträgt, beträgt der Arbeitszyklus 2.Hier gibt es keinen grundsätzlichen Unterschied, daher können Sie jeden dieser Werte verwenden, für den es bequemer und verständlicher ist.

Hier könnte man natürlich Formeln zur Berechnung des Arbeitszyklus und des PFLICHTZYKLUS angeben, aber um die Darstellung nicht zu komplizieren, werden wir auf Formeln verzichten. In extremen Fällen das Ohmsche Gesetz. Es gibt nichts zu tun: "Du kennst Ohms Gesetz nicht, bleib zu Hause!" Wenn sich jemand für diese Formeln interessiert, können sie immer im Internet gefunden werden.

PWM-Frequenz für Dimmer

Wie oben erwähnt, werden keine besonderen Anforderungen an die Stabilität der PWM-Pulsfrequenz gestellt: Nun, sie "schwebt" ein bisschen und ist in Ordnung. Eine solche Frequenzinstabilität ist übrigens ziemlich groß, haben PWM-Controller basierend auf dem integrierten Timer NE555das stört ihre Verwendung in vielen Designs nicht. In diesem Fall ist es nur wichtig, dass diese Frequenz einen bestimmten Wert nicht unterschreitet.

Und wie hoch sollte die Frequenz sein und wie instabil kann sie sein? Vergessen Sie nicht, dass es sich um Dimmer handelt. In der Filmtechnologie existiert der Begriff "kritische Flimmerfrequenz". Dies ist die Häufigkeit, mit der einzelne nacheinander angezeigte Bilder als Bewegtbild wahrgenommen werden. Für das menschliche Auge beträgt diese Frequenz 48 Hz.

Aus diesem Grund betrug die Häufigkeit der Filmaufnahmen 24 Bilder / s (Fernsehstandard 25 Bilder / s). Um diese Frequenz auf kritisch zu erhöhen, verwenden Filmprojektoren einen Zwei-Blatt-Obturator (Verschluss), der jedes angezeigte Bild zweimal überlappt.

Bei 8-mm-Amateur-Schmalfilmprojektoren betrug die Projektionsfrequenz 16 Bilder / s, sodass der Verschluss bis zu drei Blades hatte. Der gleiche Zweck im Fernsehen wird durch die Tatsache erfüllt, dass das Bild in halben Bildern angezeigt wird: zuerst gerade und dann ungerade Zeilen des Bildes. Das Ergebnis ist eine Flimmerfrequenz von 50 Hz.

Der LED-Betrieb im PWM-Modus ist ein separater Blitz mit einstellbarer Dauer. Damit diese Blitze vom Auge als kontinuierliches Leuchten wahrgenommen werden, muss ihre Frequenz nicht weniger als kritisch sein. So viele wie Sie wollen, aber in keiner Weise weiter unten. Dieser Faktor sollte beim Erstellen berücksichtigt werden PWM - Regler für Vorrichtungen.

Übrigens genauso interessant: Die Wissenschaftler haben irgendwie festgestellt, dass die kritische Frequenz für das Bienenauge 800Hz beträgt. Daher sieht die Biene den Film auf dem Bildschirm als eine Folge einzelner Bilder. Damit sie ein bewegtes Bild sehen kann, muss die Projektionsfrequenz auf achthundert halbe Bilder pro Sekunde erhöht werden!

Funktionsplan eines PWM-Controllers

Zur Steuerung wird die eigentliche LED verwendet Transistorschlüsselstufe. In letzter Zeit am weitesten verbreitet für diesen Zweck Transistoren MosfetDies ermöglicht es Ihnen, eine erhebliche Leistung umzuwandeln (die Verwendung herkömmlicher Bipolartransistoren für diese Zwecke wird einfach als unanständig angesehen).

Ein solcher Bedarf (ein leistungsfähiger MOSFET-Transistor) entsteht bei einer großen Anzahl von LEDs, beispielsweise mit mit LED-Streifen, was später besprochen wird. Wenn der Stromverbrauch niedrig ist - wenn Sie eine - zwei LEDs verwenden, können Sie die Tasten bei geringem Stromverbrauch verwenden BipolartransistorenSchließen Sie die LEDs nach Möglichkeit direkt an die Ausgänge der Mikroschaltungen an.

Abbildung 2 zeigt das Funktionsdiagramm des PWM-Controllers. Als Steuerelement ist der Widerstand R2 üblicherweise im Diagramm dargestellt. Durch Drehen des Griffs ist es möglich, das Tastverhältnis der Steuerimpulse innerhalb der erforderlichen Grenzen und folglich die Helligkeit der LEDs zu ändern.

Abbildung 2. Funktionsdiagramm eines PWM-Controllers

Die Abbildung zeigt drei Ketten von in Reihe geschalteten LEDs mit Begrenzungswiderständen. Bei LED-Streifen wird ungefähr der gleiche Anschluss verwendet. Je länger das Band, desto mehr LEDs, desto höher der Stromverbrauch.

Es ist in diesen Fällen so mächtig Regler an Transistoren MOSFETDer zulässige Drainstrom sollte geringfügig größer sein als der vom Band verbrauchte Strom. Die letztere Anforderung ist recht einfach zu erfüllen: Beispielsweise hat der IRL2505-Transistor einen Drainstrom von etwa 100 A, eine Drainspannung von 55 V, während seine Größe und sein Preis für die Verwendung in verschiedenen Konstruktionen attraktiv genug sind.

PWM-Masteroszillatoren

Ein Mikrocontroller (meistens unter industriellen Bedingungen) oder eine Schaltung, die auf Mikroschaltungen mit geringem Integrationsgrad hergestellt ist, kann als PWM-Masteroszillator verwendet werden. Wenn zu Hause eine kleine Menge von PWM-Reglern hergestellt werden soll, aber keine Erfahrung mit der Erstellung von Mikrocontroller-Geräten vorhanden ist, ist es besser, einen Regler für das zu erstellen, was jetzt verfügbar ist.

Dies kann eine Logikchip-Serie K561 sein, ein integrierter Timer NE555sowie spezielle Mikrochips für Schaltnetzteile. In dieser Rolle können Sie sogar arbeiten Operationsverstärkereinen einstellbaren Generator darauf montiert zu haben, aber das ist vielleicht "aus Liebe zur Kunst". Daher werden im Folgenden nur zwei Schemata betrachtet: das häufigste beim 555-Timer und beim UC3843-USV-Controller.

Schema des Master-Oszillators am Timer 555

Abbildung 3. Schema des Master-Oszillators

Diese Schaltung ist ein regulärer Rechteckgenerator, dessen Frequenz durch den Kondensator C1 eingestellt wird. Der Kondensator wird über die Schaltung "Ausgang - R2 - RP1-C1 - gemeinsamer Draht" aufgeladen. In diesem Fall muss der Ausgang eine hohe Spannung haben, was der Tatsache entspricht, dass der Ausgang mit dem Pluspol der Stromquelle verbunden ist.

Der Kondensator wird über die Schaltung "C1 - VD2 - R2 - Ausgang - gemeinsamer Draht" zu einem Zeitpunkt entladen, an dem der Ausgang eine niedrige Spannung aufweist. - Der Ausgang ist mit einem gemeinsamen Draht verbunden. Dieser Unterschied in den Ladungswegen - die Entladung des Zeiteinstellkondensators - liefert Impulse mit einer einstellbaren Breite.

Es ist zu beachten, dass Dioden, auch vom gleichen Typ, unterschiedliche Parameter haben. In diesem Fall spielt ihre elektrische Kapazität eine Rolle, die sich unter dem Einfluss der Spannung auf die Dioden ändert. Daher ändert sich zusammen mit einer Änderung des Arbeitszyklus des Ausgangssignals auch seine Frequenz.

Die Hauptsache ist, dass es nicht kleiner wird als die kritische Frequenz, die gerade oben erwähnt wurde. Ansonsten sind anstelle eines gleichmäßigen Lichts mit unterschiedlicher Helligkeit einzelne Blitze sichtbar.

Ungefähr (wieder sind die Dioden schuld) kann die Frequenz des Generators durch die unten gezeigte Formel bestimmt werden.

Die Frequenz des PWM-Generators am Timer 555.

Wenn wir die Kondensatorkapazität in Farad in der Formel, den Widerstand in Ohm, ersetzen, sollte das Ergebnis in Hz Hz sein: Sie können vom SI-System nichts erreichen! Es versteht sich, dass sich der RP1-Motor mit variablem Widerstand in der mittleren Position befindet (in der Formel RP1 / 2), die dem Ausgangssignal der Mäanderform entspricht. In Abbildung 2 ist dies genau der Teil, in dem die Impulsdauer von 50% angegeben ist, was einem Signal mit einem Tastverhältnis von 2 entspricht.

PWM-Masteroszillator auf UC3843-Chip

Die Schaltung ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4. Schema des PWM-Masteroszillators auf dem UC3843-Chip

Der UC3843-Chip ist ein PWM-Steuercontroller zum Schalten von Netzteilen und wird beispielsweise in Computerquellen im ATX-Format verwendet. In diesem Fall wird das typische Schema seiner Aufnahme in Richtung der Vereinfachung geringfügig geändert. Um die Breite des Ausgangsimpulses zu steuern, wird eine Regelspannung mit positiver Polarität an den Eingang der Schaltung angelegt, und dann wird am Ausgang ein pulsbreitenmoduliertes PWM-Signal erhalten.

Im einfachsten Fall kann die Regelspannung mit einem variablen Widerstand mit einem Widerstand von 22 ... 100K angelegt werden. Bei Bedarf kann die Steuerspannung beispielsweise von einem analogen Lichtsensor auf einem Fotowiderstand bezogen werden: Je dunkler das Fenster, desto heller der Raum.

Die Steuerspannung wirkt auf den PWM-Ausgang, so dass bei Abnahme die Breite des Ausgangsimpulses zunimmt, was keineswegs überraschend ist.Schließlich besteht der ursprüngliche Zweck des UC3843-Chips darin, die Spannung des Netzteils zu stabilisieren: Wenn die Ausgangsspannung und damit die Regelspannung abfällt, müssen Sie Maßnahmen ergreifen (die Breite des Ausgangsimpulses erhöhen), um die Ausgangsspannung geringfügig zu erhöhen.

Die Regelspannung in Netzteilen wird in der Regel mit Zenerdioden erzeugt. Meistens ist es TL431 oder dergleichen.

Bei den Nennwerten der im Diagramm angegebenen Teile beträgt die Generatorfrequenz etwa 1 kHz und schwebt im Gegensatz zum Generator des 555-Timers nicht, wenn sich das Tastverhältnis des Ausgangssignals ändert - Bedenken hinsichtlich der Konstanz der Frequenz der Schaltnetzteile.

Um eine signifikante Leistung zu regeln, z. B. einen LED-Streifen, sollte die Schlüsselstufe des MOSFET-Transistors mit dem Ausgang verbunden werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Es wäre möglich, mehr über PWM-Regler zu sprechen, aber lassen Sie uns zunächst darauf eingehen, und im nächsten Artikel werden wir verschiedene Möglichkeiten zum Anschließen von LEDs betrachten. Schließlich sind nicht alle Methoden gleich gut, es gibt solche, die vermieden werden sollten, und es gibt gerade genug Fehler beim Anschließen von LEDs.

Fortsetzung des Artikels:Gute und schlechte LED-Verdrahtungsmuster

Boris Aladyshkin