Регулировка яркости светодиодов. Способы управления яркостью свечения светодиодов с помощью импульсных драйверов

При переделке приборных панелей возникает потребность в регулировке яркости установленных плат. Особенно это нужно, если долго находишься за рулем в темное время суток. Все таки светодиоды светят сочнее и ярче, чем обычные лампы, да и без регулятора работа выглядит не законченной.

Вопрос решается покупкой готового диммера для регулировке светодиодных лент или простым переменным резистором, установленным в разрыв сети. Это не наш метод. Регулятор должен быть на ШИМе (широтно-импульсный модулятор).

ШИМ-регулировка заключается в периодическом включении и выключении тока через светодиод на короткие промежутки времени. Чтобы избежать эффекта мерцания, воспринимаемого человеческим зрением, частота этого цикла должна быть не менее 200Гц.

Одним из вариантов регулировки яркости светодиодов является простое устройство на базе популярного таймера 555, который осуществляет эту операцию с помощью ШИМ-сигнала. Основной компонент схемы – таймер 555, который формирует ШИМ-сигнал, встроенный генератор меняет скважность импульсов с частотой 200Гц.

Переменный резистор с помощью двух импульсных диодов осуществляет регулировку яркости. Не маловажный элемент схемы - ключевой полевой транзистор, работающий по схеме с общим истоком. Схема диммера способна осуществлять регулировку яркости в диапазоне от 5% до 95%.

Теория пройдена. Переходим к практике.

Было поставлено два условия:
1. Схема должны быть собрана на SMD компонентах
2. Минимальные размеры.

Сразу возникают трудности в подборе компонентов. В моем случает основное пришлось покупать в Мекке радиолюбителей - магазин «Чип и Дип» и ждать две недели доставкой, мать его, Почтой России. Остальное искать по местным магазинам.

Это самое сложное, т.к. их всего пара штук. Скажу сразу получилось не с первого раза, пришлось поломать голову с полевым транзистором и несколько раз переделывать/перерисовать/перепаивать.

За основу взята классическая схема:

В схему внесены изменения:
1. Емкости заменены на 0,01мкф и 0,1мкФ
2. Заменен транзистор на IRF7413. Держит 30В 13А. Шикарно!

Первый и второй вариант.

Версия 1 и версия 2.

Как видно во второй версии еще уменьшил общие размеры и заменил полевик, емкость.

Сравнение. Для наглядности размеров.

С учетом всех ошибок переделал схему и еще немного уменьшим общие замеры.

Победа!

Максимум яркости

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.

Схема и принцип её работы

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.

Плата и детали сборки регулятора яркости

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.

• DA1 – ИМС NE555;
• VT1 – полевой транзистор IRF7413;
• VD1,VD2 – 1N4007;
• R1 – 50 кОм, подстроечный;
• R2, R3 – 1 кОм;
• C1 – 0,1 мкФ;
• C2 – 0,01 мкФ.

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

Наверное, многие кто делал регулировку яркости свечения светодиодов посредством ШИМ, замечали, что при линейном увеличении коэффициента заполнения, яркость светодиода вначале растет быстро, а затем почти не изменяется, вплоть до максимального значения. А связано это явление с тем что, интенсивность зрительного ощущения имеет нелинейную зависимость от интенсивности излучения источника. Это утверждение справедливо не только для зрительного восприятия, но и для ряда других ощущений (слух, обоняние и т.д.).

На основе экспериментов Э. Вебера, Г. Фехнер сформулировал психофизиологический закон (закон Вебера – Фехнера), согласно которому интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя: S=k×ln(R), где R – интенсивность раздражителя, S – интенсивность ощущения, k – константа зависящая от единиц измерения.

Позже С. Стивенс произвел модификацию закона Вебера – Фехнера, считая, что зависимость носит характер общей степенной функции с различными показателями степени для каждого вида ощущений (закон Стивенса ): S=k×R n , где n – показатель степени, зависящий от вида ощущений. Для зрительного ощущения яркости, степенной показатель имеет значение n=0,33; при условии адаптированного к темноте наблюдателя и размере раздражителя в 5 градусов.

В общем, я построил графики этих функций в программе Mathcad, где вместо интенсивности раздражителя (R) подставил значения коэффициента заполнения ШИМ сигнала, от 0 до 255 (8-ми битный ШИМ). Константу k подобрал так, чтобы при максимальном световом потоке (коэффициент заполнения равен 255) значение интенсивности ощущения (S) равнялось числу 100, просто для удобства.


Из обоих графиков при этом можно увидеть, что при линейном увеличении коэффициента заполнения, а соответственно и светового потока от светодиода, интенсивность ощущения вначале растет быстро, а затем темп роста замедляется, отсюда и получается такое неравномерное увеличение яркости светодиода.

Чтобы получить линейное увеличение яркости, необходимо проделать обратную процедуру, вычислить значения переменной R (коэффициент заполнения ШИМ) при линейном увеличении переменной S (интенсивность ощущения). При расчете задаем 256 значений для S. В программе Mathcad я разбил ранее заданный диапазон значений S (0-100) на 256, лишь для того чтобы не менять коэффициент k, и вычислил соответствующие значения R. В результате получил две таблицы, логарифмическую и степенную, с коэффициентами заполнения для ШИМ.

Для наглядной демонстрации законов в действии, спаял схему на макетной плате, куда установил 3 светодиода белого свечения мощностью 1 Вт каждый. За основу взял проект , то есть такие же стабилизаторы тока и 3-х канальный программный ШИМ, в данном случае реализованный на микроконтроллере PIC16F628A, ток через светодиоды установил на уровне 0,3 А. Программа простая, циклическая, постепенное увеличение, а затем уменьшение коэффициента заполнения ШИМ. Для светодиода HL1 коэффициент заполнения меняется линейно, для НL2 коэффициент берется из заранее рассчитанной логарифмической таблицы, для HL3 соответственно из степенной таблицы. Нажатия на кнопку SB1 приводят к поочередной смене линейного коэффициента заполнения между двумя значениями 255 и 128, причем значению 128 из логарифмической таблицы соответствует коэффициент 16, из степенной 31. Этот режим я сделал для того чтобы сравнить визуальное изменение яркости для разных законов, то есть яркость светодиодов должна в 2 раза увеличиваться и уменьшаться.


Также можно подключить обычные светодиоды без стабилизаторов тока, как показано на схеме ниже.


На видеоролике можно пронаблюдать результат применения различных законов, слева применяется линейный ШИМ, в середине логарифмический, справа степенной.

Как видно, по зрительному восприятию, наиболее правильное изменение яркости соответствует логарифмическому и степенному ШИМ. Линейный ШИМ, как и следовало ожидать приводит к неравномерному изменению яркости. Казалось бы, при уменьшении коэффициента заполнения ШИМ с 255 до 128, яркость должна упасть также в 2 раза, но на самом деле такого не происходит, яркость уменьшается незначительно. Как по мне, то лучше всего для восприятия подходит логарифмический ШИМ, правда там возникает небольшая проблема, минимальный коэффициент заполнения ШИМ при расчетах получается равным единице, нулевой коэффициент не получить, но это можно исправить, заменив в готовой таблице несколько первых значений с 1 на 0.

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.

Требования к регулятору

• Мощность 100 Вт на 12 вольт
• Плавное управление ручкой
• Доступные радиокомпоненты
• Отсутствие акустического шума
• Малый шаг изменения мощности
• Контроль до очень низких уровней яркости

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.

Схема регулятора LED

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.

Вывод

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.