Έλεγχος φωτεινότητας LED

Σε ορισμένες περιπτώσεις, για παράδειγμα, σε φακούς ή φωτιστικά οικιακού φωτισμού, είναι απαραίτητο να ρυθμίσετε τη φωτεινότητα της λάμψης. Φαίνεται ότι είναι πιο εύκολο: απλά αλλάξτε το ρεύμα μέσω του LED, αυξάνοντας ή μειώνοντας αντίσταση που περιορίζει την αντίσταση. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, ένα σημαντικό μέρος της ενέργειας θα δαπανηθεί στην περιοριστική αντίσταση, η οποία είναι εντελώς απαράδεκτη με αυτόνομη τροφοδοσία από μπαταρίες ή συσσωρευτές.

Επιπλέον, το χρώμα των LED θα αλλάξει: για παράδειγμα, το λευκό όταν το ρεύμα είναι χαμηλότερο από το ονομαστικό (για τα περισσότερα LED 20mA) θα έχει μια ελαφρά πρασινωπή απόχρωση. Μια τέτοια αλλαγή χρώματος σε ορισμένες περιπτώσεις είναι εντελώς άχρηστη. Φανταστείτε ότι αυτές οι λυχνίες LED φωτίζουν την οθόνη τηλεόρασης ή οθόνης υπολογιστή.

Η αρχή της ρύθμισης PWM

Σε αυτές τις περιπτώσεις, εφαρμόστε PWM - ρύθμιση (πλάτος παλμού). Το νόημά της είναι αυτό LED αναβοσβήνει περιοδικά και σβήνει. Ταυτόχρονα, το ρεύμα παραμένει ονομαστικό καθ 'όλη τη διάρκεια του φλας, συνεπώς το φάσμα της λάμψης δεν παραμορφώνεται. Αν η λυχνία LED είναι λευκή, τότε δεν θα εμφανιστούν πράσινες αποχρώσεις.

Επιπλέον, με αυτή τη μέθοδο ελέγχου ισχύος, οι απώλειες ενέργειας είναι ελάχιστες, η απόδοση των ελεγχόμενων κυκλωμάτων PWM είναι πολύ υψηλή, φτάνοντας πάνω από το 90%.

Η αρχή του ελέγχου PWM είναι αρκετά απλή και παρουσιάζεται στο Σχήμα 1. Μια διαφορετική αναλογία του χρόνου της φωτισμένης και σβησμένης κατάστασης στο μάτι γίνεται αντιληπτή ως διαφορετική φωτεινότητα: όπως σε μια ταινία - εμφανίζονται ξεχωριστά τα πλαίσια θεωρούνται ως κινούμενη εικόνα. Όλα εξαρτώνται από τη συχνότητα της προβολής, η οποία θα συζητηθεί λίγο αργότερα.

Σχήμα 1. Η αρχή της ρύθμισης PWM

Το σχήμα δείχνει τα διαγράμματα σήματος στην έξοδο της συσκευής ελέγχου PWM (ή κύριο ταλαντωτή). Το μηδέν και το ένα υποδεικνύονται με λογικά επίπεδα: λογική μονάδα (υψηλή στάθμη) προκαλεί τη λάμψη της λυχνίας LED, λογική μηδενική (χαμηλή στάθμη), αντίστοιχα, εξαφάνιση.

Παρόλο που όλα μπορούν να είναι το αντίστροφο, αφού όλα εξαρτώνται από το κύκλωμα του πλήκτρου εξόδου, η λυχνία LED μπορεί να είναι χαμηλή και απενεργοποιημένη, πολύ υψηλή. Στην περίπτωση αυτή, η φυσικά λογική μονάδα θα έχει χαμηλή τάση και το λογικό μηδέν θα είναι υψηλό.

Με άλλα λόγια, μια λογική μονάδα προκαλεί την συμπερίληψη κάποιου γεγονότος ή διαδικασίας (στην περίπτωσή μας φωτισμού LED), και ένα λογικό μηδέν πρέπει να απενεργοποιήσει αυτή τη διαδικασία. Δηλαδή, δεν είναι πάντα ένα υψηλό επίπεδο στην έξοδο ενός ψηφιακού μικροκυκλώματος είναι μια μονάδα LOGIC, όλα εξαρτώνται από το πώς ένα συγκεκριμένο κύκλωμα είναι χτισμένο. Αυτό είναι για πληροφορίες. Αλλά για τώρα, υποθέτουμε ότι το κλειδί ελέγχεται από ένα υψηλό επίπεδο, και απλά δεν μπορεί να είναι διαφορετικό.

Συχνότητα και πλάτος των παλμών ελέγχου

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η περίοδος επανάληψης παλμών (ή συχνότητα) παραμένει αμετάβλητη. Αλλά, γενικά, η συχνότητα των παλμών δεν επηρεάζει τη φωτεινότητα της λάμψης, συνεπώς, δεν υπάρχουν ειδικές απαιτήσεις για τη σταθερότητα της συχνότητας. Μόνο η διάρκεια (WIDTH), σε αυτή την περίπτωση, ενός θετικού παλμού αλλάζει, εξαιτίας του οποίου λειτουργεί ολόκληρος ο μηχανισμός της διαμόρφωσης πλάτους παλμού.

Η διάρκεια των παλμών ελέγχου στο Σχήμα 1 εκφράζεται σε %%. Αυτός είναι ο λεγόμενος "παράγοντας πληρώσεως" ή, στην αγγλική ορολογία, ο DUTY CYCLE. Εκφράζεται ως ο λόγος της διάρκειας του παλμού ελέγχου προς την περίοδο επανάληψης παλμών.

Στη ρωσική ορολογία χρησιμοποιείται συνήθως "Κύκλος λειτουργίας" - ο λόγος της περιόδου προς τον χρονικό παλμόα. Έτσι, εάν ο συντελεστής πλήρωσης είναι 50%, τότε ο κύκλος λειτουργίας θα είναι ίσος με 2.Δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά εδώ, επομένως, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε οποιαδήποτε από αυτές τις αξίες, στους οποίους είναι πιο βολικό και κατανοητό.

Εδώ, βέβαια, θα μπορούσαμε να δώσουμε τύπους για τον υπολογισμό του κύκλου εργασίας και του DUTY CYCLE, αλλά για να μην περιπλέξουμε την παρουσίαση, θα κάνουμε χωρίς φόρμουλες. Σε ακραίες περιπτώσεις, ο νόμος του Ohm. Δεν υπάρχει τίποτα που πρέπει να γίνει: "Δεν γνωρίζετε τον νόμο του Ohm, μένετε στο σπίτι!" Αν κάποιος ενδιαφέρεται για αυτούς τους τύπους, τότε μπορούν πάντα να βρεθούν στο Διαδίκτυο.

PWM συχνότητα για dimmer

Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, δεν επιβάλλονται ειδικές απαιτήσεις στη σταθερότητα της συχνότητας παλμών PWM: καλά, "επιπλέει" λίγο, και εντάξει. Μια τέτοια αστάθεια συχνότητας, παρεμπιπτόντως, είναι αρκετά μεγάλη, οι ελεγκτές PWM έχουν με βάση το ενσωματωμένο χρονιστή NE555που δεν παρεμβαίνει στη χρήση τους σε πολλά σχέδια. Στην περίπτωση αυτή, είναι σημαντικό μόνο αυτή η συχνότητα να μην πέσει κάτω από μια ορισμένη τιμή.

Και τι πρέπει να είναι η συχνότητα και πόσο ασταθής μπορεί να είναι; Μη ξεχνάτε ότι μιλάμε για dimmers. Στην τεχνολογία φιλμ, υπάρχει ο όρος "κρίσιμη συχνότητα τρεμοπαίγματος". Αυτή είναι η συχνότητα εμφάνισης των επιμέρους εικόνων μία μετά την άλλη ως κίνηση εικόνας. Για το ανθρώπινο μάτι, αυτή η συχνότητα είναι 48Hz.

Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο η συχνότητα λήψης σε φιλμ ήταν 24 καρέ / δευτερόλεπτο (τηλεοπτικό πρότυπο 25 καρέ / δευτ.). Για να αυξήσετε αυτή την συχνότητα σε κρίσιμη περίπτωση, οι προβολείς ταινιών χρησιμοποιούν έναν obturator με δύο λεπίδες (κλείστρο) που επικαλύπτει δύο φορές κάθε εμφαινόμενο πλαίσιο.

Στους ερασιτεχνικούς προβολείς στενής μεμβράνης των 8mm, η συχνότητα προβολής ήταν 16 καρέ / δευτ., Έτσι ώστε το διάφραγμα να έχει έως και τρία πτερύγια. Ο ίδιος σκοπός στην τηλεόραση εξυπηρετείται από το γεγονός ότι η εικόνα προβάλλεται σε μισά καρέ: πρώτα ακόμα, και στη συνέχεια οι περίεργες γραμμές της εικόνας. Το αποτέλεσμα είναι μια συχνότητα τρεμούσης 50Hz.

Η λειτουργία LED σε λειτουργία PWM είναι ξεχωριστή αναλαμπή ρυθμιζόμενης διάρκειας. Προκειμένου αυτές οι αναλαμπές να γίνουν αντιληπτές από το μάτι ως μια συνεχής λάμψη, η συχνότητά τους δεν πρέπει να είναι μικρότερη από την κρίσιμη. Όσες θέλετε, αλλά όχι σε καμία περίπτωση κάτω. Αυτός ο παράγοντας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη δημιουργία PWM - ρυθμιστές για φωτιστικά.

Παρεμπιπτόντως, όπως ένα ενδιαφέρον γεγονός: οι επιστήμονες καθόρισαν με κάποιο τρόπο ότι η κρίσιμη συχνότητα για το μάτι της μέλισσας είναι 800Hz. Επομένως, η μέλισσα βλέπει την ταινία στην οθόνη ως ακολουθία μεμονωμένων εικόνων. Προκειμένου να δει μια κινούμενη εικόνα, η συχνότητα προβολής θα πρέπει να αυξηθεί σε οκτακόσια μισά καρέ ανά δευτερόλεπτο!

Λειτουργικό διάγραμμα ενός ελεγκτή PWM

Για τον έλεγχο του πραγματικού LED χρησιμοποιείται τρανζίστορ κλειδί στάδιο. Πρόσφατα, το πιο ευρέως χρησιμοποιούμενο για το σκοπό αυτό τρανζίστορ mosfet, επιτρέποντάς σας να μετακινήσετε σημαντική ισχύ (η χρήση συμβατικών διπολικών τρανζίστορ για αυτούς τους σκοπούς θεωρείται απλώς άσεμνη).

Μια τέτοια ανάγκη (ένα ισχυρό τρανζίστορ MOSFET) προκύπτει με μεγάλο αριθμό LED, για παράδειγμα, με χρησιμοποιώντας λωρίδα LED, το οποίο θα συζητηθεί αργότερα. Εάν η ισχύς είναι χαμηλή - όταν χρησιμοποιείτε ένα - δύο LED, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα πλήκτρα σε χαμηλή κατανάλωση ενέργειας διπολικά τρανζίστορ, και αν είναι δυνατόν, συνδέστε τις λυχνίες LED απευθείας στις εξόδους των μικροκυκλωμάτων.

Το σχήμα 2 δείχνει το λειτουργικό διάγραμμα του ελεγκτή PWM. Ως στοιχείο ελέγχου, η αντίσταση R2 παρουσιάζεται συμβατικά στο διάγραμμα. Περιστρέφοντας τη λαβή του, είναι δυνατό να αλλάξει ο κύκλος λειτουργίας των παλμών ελέγχου εντός των απαιτούμενων ορίων και, κατά συνέπεια, η φωτεινότητα των LED.

Εικόνα 2. Λειτουργικό διάγραμμα ενός ελεγκτή PWM

Το σχήμα δείχνει τρεις αλυσίδες σειριακών LED με περιοριστικές αντιστάσεις. Περίπου η ίδια σύνδεση χρησιμοποιείται στις λωρίδες LED. Όσο μεγαλύτερη είναι η ταινία, τόσο περισσότερες είναι οι LED, τόσο μεγαλύτερη είναι η κατανάλωση ρεύματος.

Σε αυτές τις περιπτώσεις είναι τόσο ισχυρή ρυθμιστές στα τρανζίστορ MOSFET, το επιτρεπόμενο ρεύμα αποστράγγισης του οποίου θα πρέπει να είναι ελαφρώς μεγαλύτερο από το ρεύμα που καταναλώνεται από την ταινία. Η τελευταία αυτή απαίτηση πληρούται πολύ εύκολα: για παράδειγμα, το τρανζίστορ IRL2505 έχει ρεύμα αποστράγγισης περίπου 100Α, τάση αποστράγγισης 55V, ενώ το μέγεθος και η τιμή του είναι αρκετά ελκυστικά για χρήση σε διάφορα σχέδια.

Κύριοι ταλαντωτές PWM

Ένας μικροελεγκτής (συνήθως στις βιομηχανικές συνθήκες) ή ένα κύκλωμα που γίνεται σε μικροκυκλώματα μικρού βαθμού ολοκλήρωσης, μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κύριος ταλαντωτής PWM. Εάν στο σπίτι υποτίθεται ότι παράγει μια μικρή ποσότητα ρυθμιστών PWM, αλλά δεν υπάρχει εμπειρία στη δημιουργία συσκευών μικροελεγκτών, τότε είναι καλύτερο να δημιουργηθεί ένας ρυθμιστής για το τι είναι τώρα.

Αυτό μπορεί να είναι μια λογική σειρά chip K561, ένα ενσωματωμένο χρονοδιακόπτη NE555καθώς και εξειδικευμένα μικροτσίπ σχεδιασμένα για εναλλαγή τροφοδοτικών. Σε αυτό το ρόλο, μπορείτε ακόμη και να κάνετε εργασία λειτουργικού ενισχυτήέχοντας συναρμολογήσει μια ρυθμιζόμενη γεννήτρια σε αυτό, αλλά αυτό είναι, ίσως, "από την αγάπη για την τέχνη". Συνεπώς, μόνο δύο συστήματα θα εξεταστούν παρακάτω: το πιο συνηθισμένο στον χρονοδιακόπτη 555 και στον ελεγκτή UPS3843 UPS.

Σχέδιο του κύριου ταλαντωτή στον χρονοδιακόπτη 555

Σχήμα 3. Σχήμα του κύριου ταλαντωτή

Αυτό το κύκλωμα είναι μια κανονική γεννήτρια τετράγωνων κυμάτων που η συχνότητα ρυθμίζεται από τον πυκνωτή C1. Ο πυκνωτής φορτίζεται μέσω του κυκλώματος "Έξοδος - R2 - RP1-C1 - κοινό καλώδιο". Σε αυτή την περίπτωση, η έξοδος πρέπει να έχει υψηλή στάθμη τάσης, η οποία είναι ισοδύναμη με το γεγονός ότι η έξοδος συνδέεται με τον πολικό πύλη της πηγής ισχύος.

Ο πυκνωτής εκκενώνεται μέσω του κυκλώματος "C1 - VD2 - R2 - Έξοδος - κοινό καλώδιο" σε μια στιγμή που η έξοδος είναι χαμηλή, - η έξοδος συνδέεται σε ένα κοινό καλώδιο. Αυτή η διαφορά στις διαδρομές του φορτίου - η εκφόρτιση του πυκνωτή ρύθμισης χρόνου - παρέχει παλμούς με ρυθμιζόμενο πλάτος.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι δίοδοι, ακόμη και του ίδιου τύπου, έχουν διαφορετικές παραμέτρους. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρική χωρητικότητά τους παίζει κάποιο ρόλο, το οποίο αλλάζει υπό την επίδραση της τάσης στις δίοδοι. Συνεπώς, μαζί με μια αλλαγή στον κύκλο λειτουργίας του σήματος εξόδου, αλλάζει και η συχνότητά του.

Το κύριο πράγμα είναι ότι δεν γίνεται λιγότερο από την κρίσιμη συχνότητα, η οποία αναφέρθηκε ακριβώς παραπάνω. Διαφορετικά, αντί για ομοιόμορφη λάμψη με διαφορετική φωτεινότητα, θα είναι ορατές μεμονωμένες αναλαμπές.

Περίπου (και πάλι, οι διόδους είναι φταίξιμες), η συχνότητα της γεννήτριας μπορεί να προσδιοριστεί με τον τύπο που φαίνεται παρακάτω.

Η συχνότητα της γεννήτριας PWM στον χρονοδιακόπτη 555.

Αν αντικαταστήσουμε την χωρητικότητα του πυκνωτή σε φάρες στον τύπο, την αντίσταση σε Ohms, τότε το αποτέλεσμα πρέπει να είναι σε Hz Hz: δεν μπορείτε να πάτε από το σύστημα SI! Είναι κατανοητό ότι ο κινητήρας μεταβλητής αντίστασης RP1 βρίσκεται στη μεσαία θέση (στον τύπο RP1 / 2), ο οποίος αντιστοιχεί στο σήμα εξόδου του σχήματος μαιάνδρου. Στο Σχήμα 2, αυτό είναι ακριβώς το τμήμα όπου ενδείκνυται η διάρκεια παλμού 50%, η οποία είναι ισοδύναμη με ένα σήμα με ένα κύκλο λειτουργίας 2.

PWM κύριος ταλαντωτής σε τσιπ UC3843

Το κύκλωμά του φαίνεται στο σχήμα 4.

Σχήμα 4. Σχήμα του κύριου ταλαντωτή PWM στο τσιπ UC3843

Το τσιπ UC3843 είναι ένας ελεγκτής ελέγχου PWM για την εναλλαγή τροφοδοτικών και χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε πηγές υπολογιστών μορφής ATX. Σε αυτή την περίπτωση, το τυπικό σχήμα της ένταξής του μεταβάλλεται ελαφρώς προς την κατεύθυνση της απλούστευσης. Για τον έλεγχο του πλάτους του παλμού εξόδου εφαρμόζεται τάση ρύθμισης θετικής πολικότητας στην είσοδο του κυκλώματος, στη συνέχεια λαμβάνεται ένα σήμα PWM διαμορφωμένο με πλάτος παλμού στην έξοδο.

Στην απλούστερη περίπτωση, η ρυθμιστική τάση μπορεί να εφαρμοστεί χρησιμοποιώντας μεταβλητή αντίσταση με αντίσταση 22 ... 100K. Εάν είναι απαραίτητο, η τάση ελέγχου μπορεί να ληφθεί, για παράδειγμα, από έναν αναλογικό αισθητήρα φωτός που παράγεται σε ένα φωτοαντιστάσεων: όσο πιο σκούρα είναι το παράθυρο, τόσο πιο φωτεινό είναι το δωμάτιο.

Η τάση ελέγχου λειτουργεί στην έξοδο PWM, έτσι ώστε όταν μειώνεται, το πλάτος του παλμού εξόδου αυξάνεται, πράγμα που δεν προκαλεί έκπληξη.Μετά από όλα, ο αρχικός σκοπός του τσιπ UC3843 είναι να σταθεροποιήσει την τάση της τροφοδοσίας: αν πέσει η τάση εξόδου και μαζί με την τάση ρύθμισης, τότε πρέπει να ληφθούν μέτρα (αύξηση του πλάτους του παλμού εξόδου) για να αυξηθεί ελαφρά η τάση εξόδου.

Η ρυθμιστική τάση στα τροφοδοτικά δημιουργείται, κατά κανόνα, χρησιμοποιώντας διόδους zener. Τις περισσότερες φορές είναι TL431 ή τα παρόμοια.

Με τις τιμές των εξαρτημάτων που υποδεικνύονται στο διάγραμμα, η συχνότητα της γεννήτριας είναι περίπου 1 KHz και σε αντίθεση με τη γεννήτρια του χρονοδιακόπτη 555 δεν "επιπλέει" όταν μεταβάλλεται ο κύκλος λειτουργίας του σήματος εξόδου - ανησυχία για τη σταθερότητα της συχνότητας των διακοπτών τροφοδοσίας.

Για να ρυθμίσετε τη σημαντική ισχύ, για παράδειγμα, μια λωρίδα LED, η βαθμίδα κλειδιού στο τρανζίστορ MOSFET θα πρέπει να συνδεθεί στην έξοδο, όπως φαίνεται στο σχήμα 2.

Θα μπορούσαμε να μιλήσουμε περισσότερο για τους ρυθμιστές PWM, αλλά επί του παρόντος ας μεριμνήσουμε για αυτό, και στο επόμενο άρθρο θα εξετάσουμε διάφορους τρόπους σύνδεσης LED. Μετά από όλα, δεν είναι όλες οι μέθοδοι εξίσου καλές, υπάρχουν εκείνες που πρέπει να αποφεύγονται και υπάρχουν αρκετά λάθη κατά τη σύνδεση LED.

Συνέχεια του άρθρου:Καλό και κακό πρότυπο καλωδίωσης LED

Μπόρις Αλαντίσκιν