Регулювання яскравості світлодіодів, принципи ШІМ-регулювання

У деяких випадках, наприклад, у ліхтариках або домашніх освітлювальних приладах виникає необхідність регулювати яскравість свічення. Здавалося б, чого простіше: достатньо змінити струм через світлодіод, збільшивши або зменшивши опір обмежувального резистора. Але в цьому випадку на обмежувальному резисторі витрачатиметься значна частина енергії, що зовсім неприпустимо при автономному живленні від батарей або акумуляторів.

Крім того, колір світіння світлодіодів буде змінюватися: наприклад, білий колір при зниженні струму менше номінального (для більшості світлодіодів 20мА) матиме кілька зелений відтінок. Така зміна кольору часом зовсім ні до чого. Уявіть, що ці світлодіоди підсвічують екран телевізора або комп'ютерного монітора.

Принцип ШІМ – регулювання

У цих випадках застосовується ШІМ - регулювання (широтно - імпульсне). Сенс його в тому, що світлодіод періодично запалюється та гасне. При цьому струм протягом усього часу спалаху залишається номінальним, тому спектр свічення не спотворюється. Якщо світлодіод білий, то зелені відтінки з'являтися не будуть.

До того ж при такому способі регулювання потужності втрати енергії мінімальні, ККД схем з ШИМ регулюванням дуже високий, досягає 90 з лишком відсотків.

Принцип ШІМ - регулювання досить простий, і показаний на малюнку 1. Різне співвідношення часу запаленого і погашеного стану на око сприймається як різна яскравість свічення: як у кіно - кадри, що показуються по черзі, сприймаються як рухоме зображення.Тут все залежить від частоти проекції, про що розмова трохи пізніше.

Рисунок 1. Принцип ШІМ – регулювання

На малюнку зображені діаграми сигналів на виході пристрою керування ШІМ (або генератор, що задає). Нулем та одиницею позначені логічні рівні: логічна одиниця (високий рівень) викликає свічення світлодіода, логічний нуль (низький рівень), відповідно, згасання.

Хоча все може бути і навпаки, оскільки все залежить від схемотехніки вихідного ключа, - включення світлодіода може здійснюватися низьким рівнем, а вимкнення, якраз високим. І тут фізично логічна одиниця матиме низький рівень напруги, а логічний нуль високий.

Інакше кажучи, логічна одиниця викликає включення якоїсь події чи процесу (у разі засвічування світлодіода), а логічний нуль повинен цей процес відключити. Тобто не завжди високий рівень на виході цифрової мікросхеми є ЛОГІЧНОЮ одиницею, все залежить від того, як побудовано конкретну схему. Це так, до відома. Але поки вважатимемо, що ключ управляється високим рівнем, і інакше просто бути не може.

Частота та ширина керуючих імпульсів

Слід звернути увагу, що період проходження імпульсів (або частота) залишається незмінним. Але, загалом, частота імпульсів яскравість світіння впливу не надає, тому, до стабільності частоти спеціальних вимог не пред'являється. Змінюється лише тривалість (ШИРИНА), у разі, позитивного імпульсу, з допомогою чого працює весь механізм широтно-импульсной модуляції.

Тривалість керуючих імпульсів малюнку 1 виражена в %%. Це так званий "коефіцієнт заповнення" або, за англомовною термінологією, DUTY CYCLE.Виражається ставленням тривалості керуючого імпульсу до періоду прямування імпульсів.

У російськомовній термінології зазвичай використовується «скважність» – відношення періоду проходження до часу імпульса. Таким чином якщо коефіцієнт заповнення 50%, то шпаруватість дорівнюватиме 2. Принципової різниці тут немає, тому, користуватися можна будь-який з цих величин, кому як зручніше і зрозуміліше.

Тут, звичайно, можна було б навести формули для розрахунку шпаруватості та DUTY CYCLE, але, щоб не ускладнювати виклад, обійдемося без формул. У крайньому випадку закон Ома. Тут нічого не поробиш: «Не знаєш закон Ома, сиди вдома!». Якщо вже когось ці формули зацікавлять, то їх завжди можна знайти на просторах Інтернету.

Частота ШИМ для світлорегулятора

Як було сказано трохи вище, особливих вимог до стабільності частоти імпульсів ШІМ не пред'являється: ну, трохи «плаває», та й добре. Подібною нестабільністю частоти, до речі, досить великий, мають ШІМ - регулятори на базі інтегрального таймера NE555, що не заважає їхньому застосуванню в багатьох конструкціях. В даному випадку важливо лише, щоб ця частота не стала нижчою за деяке значення.

А яка має бути частота, і наскільки вона може бути нестабільною? Не забувайте, що йдеться про світлорегулятори. У кінотехніці існує термін «критична частота миготіння». Це частота, при якій окремі картинки, що показуються один за одним, сприймаються як зображення, що рухається. Для ока ця частота становить 48Гц.

Саме з цієї причини частота зйомки на кіноплівці становила 24 кадр/сек (телевізійний стандарт 25 кадр/сек).Для підвищення цієї частоти до критичної в кінопроекторах застосовується дволопатевий обтюратор (заслінка), що двічі перекриває кожен показуваний кадр.

У аматорських вузькоплівкових 8мм проекторах частота проекції становила 16кадр/сек, тому обтюратор мав аж три лопаті.

Робота світлодіода в режимі ШІМ являє собою окремі спалахи регульованої тривалості. ШИМ – регуляторів для світильників.

До речі, просто, як цікавий факт: вчені якимось чином визначили, що критична частота для ока бджоли становить 800Гц. Тому кінофільм на екрані бджола побачить як послідовність окремих зображень. півкадрів на секунду!

Функціональна схема ШІМ – регулятора

Для управління власне світлодіодом використовується транзисторний ключовий каскад.

Така потреба (потужний MOSFET - транзистор) виникає при великій кількості світлодіодів, наприклад, при використанні світлодіодних стрічок, про які буде розказано трохи пізніше.Якщо потужність невелика – при використанні одного – двох світлодіодів, можна використовувати ключі на малопотужних біполярних транзисторах, а при можливості підключати світлодіоди безпосередньо до виходів мікросхем.

На малюнку 2 показано функціональну схему ШІМ – регулятора. Як елемент управління на схемі умовно показаний резистор R2. Обертанням його ручки можна в необхідних межах змінювати шпаруватість імпульсів, що управляють, а, отже, яскравість світлодіодів.

Малюнок 2. Функціональна схема ШІМ – регулятора

На малюнку показано три ланцюжки послідовно з'єднаних світлодіодів з резисторами, що обмежують. Приблизно така сама сполука застосовується у світлодіодних стрічках. Чим довша стрічка, тим більше світлодіодів, тим більше споживаний струм.

Саме в цих випадках будуть потрібні потужні регулятори на транзисторах MOSFET, допустимий струм стоку яких повинен бути трохи більше струму, що споживається стрічкою. Остання вимога виконується досить легко: наприклад, у транзистора IRL2505 струм стоку близько 100А, напруга стоку 55В, при цьому його розміри і ціна досить привабливі для використання в різних конструкціях.

Задаючі генератори ШІМ

Як генератор, що задає ШІМ, може використовуватися мікроконтролер (у промислових умовах найчастіше), або схема, виконана на мікросхемах малого ступеня інтеграції. Якщо в домашніх умовах передбачається виготовити незначну кількість ШІМ - регуляторів, а досвіду створення мікроконтролерних пристроїв немає, то краще зробити регулятор на тому, що в даний час під рукою.

Це можуть бути логічні мікросхеми серії К561, інтегральний таймер NE555, а також спеціалізовані мікросхеми, призначені для імпульсних блоків живлення. ». Тому, далі будуть розглянуті лише дві схеми: найпоширеніша на таймері 555, і на контролері ДБЖ UC3843.

Схема генератора, що задає, на таймері 555

Малюнок 3. Схема генератора, що задає

Ця схема являє собою звичайний генератор прямокутних імпульсів, частота якого задається конденсатором C1. плюсовим полюсом джерела живлення.

Розряджається конденсатор по ланцюгу «C1 – VD2 – R2 – Вихід – загальний провід» в той час, коли на виході присутня напруга низького рівня, - вихід з'єднаний із загальним дротом. регульованою шириною.

Слід зазначити, що діоди, навіть одного типу, мають різні параметри. У цьому випадку відіграє роль їхня електрична ємність, яка змінюється під дією напруги на діодах.

Головне, щоб вона не стала меншою за критичну частоту, про яку було згадано трохи вище. Інакше замість рівномірного світіння з різною яскравістю будуть видні окремі спалахи.

Приблизно (знову ж таки винні діоди) частоту генератора можна визначити за формулою, показаною нижче.

Частота генератора ШІМ на таймері 555.

Якщо в формулу ємність конденсатора підставити у фарадах, опір в Омах, то результат повинен вийти в герцах Гц: від системи СІ нікуди не дінешся! При цьому мається на увазі, що двигун змінного резистора RP1 знаходиться в середньому положенні (у формулі RP1/2), що відповідає вихідному сигналу форми меандр. На малюнку 2 це саме та частина, де вказана тривалість імпульсу 50%, що рівнозначно сигналу зі шпаруватістю 2.

генератор ШИМ, що задає, на мікросхемі UC3843

Його схема показано малюнку 4.

Малюнок 4. Схема генератора ШІМ, що задає, на мікросхемі UC3843

Мікросхема UC3843 є керуючим ШІМ-контролером для імпульсних блоків живлення та застосовується, наприклад, у комп'ютерних джерелах формату ATX. У разі типова схема її включення дещо змінена убік спрощення. Для керування шириною вихідного імпульсу на вхід схеми подається регулююча напруга позитивної полярності, то на виході виходить імпульсний сигнал ШІМ.

У найпростішому випадку регулюючу напругу можна подати за допомогою змінного резистора опором 22...100Км. При необхідності можна керуючу напругу отримувати, наприклад, з аналогового датчика освітленості, виконаного на фоторезистори: чим темніше за вікном, тим світліше в кімнаті.

Регулююча напруга впливає на вихід ШІМ, таким чином, що при зниженні ширина вихідного імпульсу збільшується, що зовсім не дивно.Адже вихідне призначення мікросхеми UC3843 - стабілізація напруги блоку живлення: якщо вихідна напруга падає, а разом з нею і регулююча напруга, то треба вживати заходів (збільшувати ширину вихідного імпульсу) для підвищення вихідної напруги.

Регулююча напруга у блоках живлення виробляється, як правило, за допомогою стабілітронів. Найчастіше це TL431 чи їм подібні.

При зазначених на схемі номіналах деталей частота генератора близько 1КГц, і на відміну від генератора на таймері 555, при зміні шпаруватості вихідного сигналу не «плаває» - турбота про сталість частоти імпульсних блоків живлення.

Щоб регулювати значну потужність, наприклад світлодіодна стрічка, до виходу слід підключити ключовий каскад на транзисторі MOSFET, як було показано на малюнку 2.

Можна було б і більше розповісти про ШИМ - регулятори, але поки зупинимося на цьому, а в наступній статті розглянемо різні способи підключення світлодіодів. Адже не всі способи однаково хороші, є такі, яких слід уникати, та й просто помилок при підключенні світлодіодів трапляється достатньо.

Сподіваюся, що ця стаття була для вас корисною. Дивіться також інші статті у категорії Практична електроніка, Все про світлодіоди

Підписуйтесь на канал у Telegram про електроніку для професіоналів та любителів: Практична електроніка на кожен день

Поділіться цією статтею з друзями:

Від чого залежить яскравість свічення світлодіода та як її регулювати

При покупці освітлювального приладу рядового споживача цікавить не напруга або сила струму, а яскравість світлодіода, оскільки вона відрізняється від індикатора інших ламп.Впровадження нових технологій потребує іншого підходу до характеристик світлотехніки. Основні параметри, у тому числі яскравість свічення, хороші виробники вказують на етикетці, упаковці, в технічній документації. Для правильного вибору необхідно знати значення літер та цифр, вміти визначати, який пристрій дозволяє налаштувати яскравість, а яке ні.

Що таке яскравість світлодіода та в чому вона вимірюється

Яскравість світіння називається індикатором світла, рівним відношенню сили світлового потоку до косинус кута, під яким воно випромінюється, і освітленої площі. Інше визначення - освітлення в точці, перпендикулярній джерелу, під кутом, в якому укладено промінь. Яскравість позначається буквою «L» і вимірюється в міліканлах на метр за вирахуванням другого ступеня (кд*м-2). Звичайні світлодіоди мають яскравість 20-50 мкд, а надяскраві – до 20 000 мкд. Від цього показника залежить сприйняття предметів людським оком.

Якщо говорити про світлодіоди, то їх яскравість - це потужність (інтенсивність) світла, що вимірюється у ватах і відповідно до кута конуса, основа якого знаходиться в освітленій області, а верх - у джерелі світла. При рівному випромінюванні у всіх напрямках яскравість свічення буде ставленням потоку до просторового кута (у градусах). Найчастіше градуси перетворюються на стерадіани: sr = 2 π (1 - cos θ / 2), де - кут променя.

Параметри, що впливають на яскравість

Яскравість об'єкта, що освітлюється, залежить не тільки від світлового потоку. Яскравість свічення також залежить від щільності променя та чутливості спостерігача.

Сила струму

Під час роботи струм світлодіода залежить від напруги. При невеликому підвищенні напруги електричний струм багаторазово збільшується разом із яскравістю свічення.Однак, цим параметром можна керувати, включивши в схему аналоговий або широкий імпульсний модулятор, який забезпечує функцію ослаблення.

Залежність яскравості ідеального світлодіода від електричного струму лінійна. На практиці це залежить від втрат через тепловиділення та диференціальний опір кристала. Існує межа, вище якої неможливо збільшити струм через перегрівання pn переходу, що може призвести до пошкодження світлодіода.

Технологія

Світлодіод - це точкове джерело світла, напрямок променя якого визначається конструкцією. Параметри змінюються залежно від оптичних властивостей та наявності люмінофора, розсіювачів та лінз у пристрої. Незалежно від пристрою, інтенсивність свічення регулюється мінімальними коливаннями сили струму.

У разі високої густини променя (малого кута випромінювання) яскравість світлодіода збільшується незалежно від величини потоку.

Увага! При покупці слід враховувати, що джерело з тисячею міліколібань та кутом випромінювання 45 градусів дасть такий же потік, як і кут 12 градусів, але при другому варіанті промінь буде яскравішим.

Площа кристалу

Ще один показник, від якого безпосередньо залежать обсяг світлового потоку та яскравість свічення, – це розмір кристала. Наприклад, площа SMD 3528 становить 3,5×2,8 мм, площа SMD 5630 – 5,6×3 мм, світловий потік – 6-8 та 50 люмен відповідно. Нові кристали відрізняються великими розмірами та високою інтенсивністю люмінесценції. Це з тим, що випромінювання у кожному чипі залежить від розміру pn переходу.

Важливо! Купуючи, потрібно знати, що ним користуються невідомі китайські виробники.Замість великих кристалів потужністю 1 Вт ставлять дрібні на 0,75 або 0,5 Вт; при подачі заявленого струму значно скорочується термін їхньої служби або вони перегорають.

Що можна дізнатися з маркування

Відомі виробники мають досить довге маркування, тому вони розміщуються на упаковці або в технічній документації. Стрічки поставляються з етикеткою на котушці. Якщо не вдалося знайти дані, їх можна запросити у продавця.

Стандартного позначення звичайних світлодіодів немає, кожен виробник використовує своє. Яскравість світіння завжди вказується у маркуванні потужних ламп.

На SMD вказується лише розмір мікросхеми, інтенсивність свічення можна визначити лише за технічною документацією. Philips вказує на своїй продукції світловий потік у люменах, Samsung кодує цей показник цифрами, значення яких можна дізнатися у спеціальних таблицях. На продуктах CREE маркування можна розпізнати лише кольоропередачу CRI.

Важливо! Маркування є одним із факторів, що ускладнюють вибір світлодіодних джерел світла за відсутності певного рівня знань.

Способи регулювання яскравості

Знаючи, що яскравість світіння будь-якого світлодіода залежить від сили струму, можна зробити висновок, що характеристики променя змінюються одночасно зі збільшенням або зменшенням ампер, що подаються на кристал. При аналоговому регулюванні за допомогою резисторів інтенсивність світіння регулюється ступінчасто, тому в схему необхідно включити стабілізатор LM317, що фіксує струм та напругу. Цей метод керування використовується в автомобілях та при підключенні світлодіодів до джерела постійної напруги.

Найкращим методом вважається модуляція ширини імпульсу з включенням до схеми резистора та контролера (якщо кольорові діоди). На світлодіод подаються імпульси певної частоти, тобто живлення включається і вимикається дуже швидко, світлодіод щоразу відкривається, але його очі не вловлюють.

Важливо! Інтенсивність світла світлодіодних ламп не можна регулювати, якщо вони не є спеціальними (загасання не вказано на упаковці). Для звичайних ламп використовують баластний блок живлення на основі конденсаторів.

Основні висновки

Виміряти інтенсивність світіння світлодіода в домашніх умовах неможливо. У маркуванні цей показник вказується рідко, для правильного вибору необхідно знати його залежність від розмірів кристала, світлового потоку та кута випромінювання.

Можливість змінювати яскравість (використовувати димування) широко використовується в побуті для економії енергії та встановлення спеціальних систем освітлення. Інтенсивність свічення можна зменшити під час перегляду телепрограм, під час відпочинку, для нічного освітлення дитячих кімнат. Простота використання збільшує можливість керування затемненням через панель керування або автоматично (з урахуванням руху та часу).