ШИМ контроллер для светодиодов

Ghostgkd777 › Блог › ШИМ, драйверы, светодиоды

Ух давненько ничего не публиковал. Не потому что нечего, а вопреки.

Приветствую всех гостей и подписчиков, предлагаю разобраться наконец в вопросе как-же у нас регулируется яркость светодиодов, что такое ШИМ и как это все работает с импульсными драйверами светодиодов.
Материал ориентирован скорее на начинающих и тех, у кого познания в электронике нулевые, а руки чешутся сделать тюнинг на свою любимую машинку, но будет полезен и искушенным.

Давайте разбираться, как-же мы можем регулировать яркость светодиодов? Тут варианта два:
1) линейная регулировка тока (напряжения)
2) ШИМ регулирование

Первый вариант — это всем известная схема включения с одним резистором и одним светодиодом.

Тут все просто: при использовании одного какого-то типа светодиодов, яркость зависит лишь от тока, протекающего по нему, который, в свою очередь, зависит от питающего напряжения и сопротивления ограничительного резистора.
Не сочтите за рекламу, а токмо чтобы вопросов было поменьше: калькулятор расчета резистора для светодиодов
Частным случаем является использование драйверов, как линейных, так и импульсных. Это стабилизаторы тока При любом допустимом изменении питающего напряжения и температурного дрейфа параметров кристалла светодиода они призваны обеспечить стабильный ток питания светодиода, что безусловно благоприятно на нем сказывается. Вообще питание светодиода драйверами (стабилизаторами тока) является единственно верным решением. Регулируя ток светодиода регулируем и его яркость. Но к ним мы вернемся чуть позже.

С ШИМ уже не все так очевидно.
Чтож это за зверь? Кто еще не в курсе — это широтно импульсная модуляция. Сигнал ШИМ позволяет регулировать параметры объекта, на который он воздействует. В нашем случае при питании светодиода ШИМ сигналом мы имеем возможность регулировки его яркости.
Как? Очень просто. ШИМ сигнал — это чередование импульсов и пауз. То есть на светодиод то приходит напряжение, то нет. Если импульсы будут повторяться с довольно высокой частотой (от 24 импульсов в секунду), благодаря инерционности зрения мы не будем видеть пауз в свечении светодиода. И яркость его свечения будет определяться продолжительностью свечения или длительностью импульса питания по отношению к паузе. Если поделить время работы на время периода (длительность работы + длительность паузы) получим относительную величину, показывающую какой процент мощности от максимума подано на светодиод. И называется она скважность.

На иллюстрации видим желтый сигнал ШИМ, питающий светодиод. Синий график — эквивалентная мощность в нагрузке (светодиоде). Всё, что такое ШИМ разобрались. Едем дальше.

ШИМ сигналом можно питать светодиод равно как и без него. То есть по схеме со стабилизатором тока или с токоограничивающим резистором. Не считая отдельных исключений с импульсными драйверами, все эти методы позволят в сочетании с ШИМ получить желанную возможность выкрутить яркость светодиода от нуля до максимума.
И если с линейными регуляторами все более менее ясно — подключай резистор со светодиодом на ШИМ и будет тебе счастье, то с импульсными стабилизаторами не все так гладко.

Сабж, ставший первопричиной появления этого поста и ролика на youtube.
Имеем пользующиеся народной любовью импульсные драйвера светодиодов с Алиэкспресс, светодиоды оттуда-же, плату контроллера динамических поворотников, все это собираем в кучу и радуемся. Или нет?

А вот тут все будет зависеть от того что за драйвера и светодиоды и насколько сэкономил на надежности ваш продавец плат динамических поворотников. Грубо говоря, цепляете вы ваши светодиоды к драйверам, их к платам контроллеров, запускаете и ладно если еще не установили все в фару и на автомобиль, а тестируете «на коленке». С неприятностью обнаруживаете что ваш контроллер динамических поворотников разогрелся как из ада и возможно даже испустил дух со спецэффектами, которые вы не оплачивали. Обидно однако.

В чем-же дело? автор плат уверяет, что все платы прошли контроль и на 100% исправны, мощность светодиодов не превышает заложенный в девайс потенциал, но на выходе имеем то что имеем. Китайцы виноваты или автор плат? Или сам где-то напорол?
Нет. Никто не виноват, да, бывает и так. Просто максимальная нагрузка для плат и комбинация импульсных драйверов с мощными светодиодами оказались несогласованными одно с другим.

Виной тут схемотехника самих драйверов. Все за редким исключением они имеют довольно емкий выходной конденсатор (а некоторые и входной), который начинает заряжаться при подаче на драйвер напряжения т.е. при появлении импульса ШИМ. Как известно (но не всем, разумеется) из курса физики, разряженный конденсатор при подаче на него напряжения является практически полным коротким замыканием в цепи. И по мере принятия заряда его сопротивление и напряжение на нем растут, а ток в цепи напротив — уменьшается.
Рассмотрим этот процесс подробнее.

Поворотник отключен, контроллер не дает на выход ШИМ сигнал. Конденсатор драйвера разряжен, светодиод не светится.

Включили поворотник, контроллер выдал ШИМ на драйвер, пусть 50% скважность. Вот тут мы и получили мощный бросок тока, заряжающего конденсатор и питающего светодиод. Как там транзисторы контроллера? выжили, ну ничего, это был лишь первый импульс…

Далее конденсатор зарядился и ток питания драйвера, он-же ток нагрузки контроллера динамических поворотов, нормализовался до адекватных рабочих значений.

Но вот приходит через паузы ШИМ. Светодиод продолжает гореть за счет подпитки от конденсатора. По этой-же самой причине может иметь место отсутствие регулировки яркости светодиодов при больших значениях скважности ШИМ из-за большой емкости конденсатора, малой мощности светодиода, слишком высокой частоте ШИМ (короткие паузы между импульсами).

Далее приходит новый импульс и процесс повторяется. Но тут есть вариант, что конденсатор не успеет разрядиться полностью и ток его зарядки будет ниже.

Резюмируем. Установленные в импульсных драйверах конденсаторы при заряде дают весьма не хилый бросок тока в цепи ШИМ сигнала, что может привести к весьма печальным последствиям.

Надеюсь, доступно на пальцах объяснил причины возможного выхода из строя управляющих контроллеров при регулировке яркости светодиодов, запитанных через импульсные драйвера.

Теорию подтвердил практикой с совершенно конкретными устройствами, живущими долго и счастливо уже много у кого.

Контроллер ШИМ своими руками

  1. Что такое ШИМ?
  2. Принцип работы ШИМ
  3. Откуда берётся ШИМ
  4. Вариант 1 — аналоговый
  5. Вариант 2 – цифровой
  6. Как подключить к нагрузке
  7. Если нужно управлять плюсовым контактом
  8. Контроллер ШИМ для RGB светодиодной ленты
  9. Ключи на мосфет-транзисторах

Сегодня разберёмся что такое ШИМ и с чем его едят, а также как сделать контроллер в домашних условиях.

Что такое ШИМ?

ШИМ (широтно-импульсная модуляция, англ. pulsewidth modulation (PWM)) — это способ управления мощностью путём импульсной подачи питания. Мощность меняется в зависимости от длительности подаваемых импульсов.

ШИМ в современной электронике применяется повсеместно, для регулировки яркости подсветки вашего смартфона, скорости вращения кулера в компьютере, для управления моторами квадрокоптера или гироскутера. Cписок можно продолжать бесконечно.

В любительской электронике ШИМ контроллеры часто используются для управления яркостью светодиодных лент и для управления мощными двигателями постоянного тока.

Принцип работы ШИМ

В отличии от линейных систем, где мощность регулируется путём снижения электрических параметров (тока или напряжения), при использовании ШИМ мощность, передаваемая потребителю, регулируется временем импульсов, что существенно повышает эффективность работы контроллера. В аналоговых системах остаточная мощность рассеивалась в виде тепла, здесь же при снижении потребления остаточная мощность просто не используется.

Основная характеристика ШИМ – СКВАЖНОСТЬ (процент заполнения) – процентное соотношение длительности импульсов к периоду. На рисунке ниже изображено 5 степеней скважности прямоугольного ШИМ сигнала:

Скважность ШИМ

ПЕРИОД — это время за которое происходит полный цикл колебания сигнала. Измеряется в секундах. Он линейно зависит от частоты сигнала и рассчитывается по формуле:

f(частота) = 1/ T(перод)

Частота ШИМ – это количество периодов (или если хотите, циклов колебаний) в единицу времени. Частота измеряется в Герцах (Гц), 1 Гц это одно колебание в 1 секунду.

Если сигнал делает 100 колебаний в секунду, значит частота равняется 100 Гц. Чем выше частота тем меньше период.

Откуда берётся ШИМ

Вариант 1 — аналоговый

ШИМ сигнал создаётся специально сконструированными устройствами – генераторами ШИМ сигнала или генераторами прямоугольных импульсов. Они могут быть собраны как на аналоговой базе, так и на основе микроконтроллеров, как в виде схемы из нескольких транзисторов, так и в виде интегральной микросхемы.

Самый простой вариант это микросхема NE555, собирается всё по схеме:

Схема ШИМ генератора на NE555

Но если лень разбираться и паять, то китайцы за нас всё уже давно сделали.

ШИМ генератор на NE555

Стоит $0,5, работает стабильно при питании от 5 до 16 вольт. Выдаёт ШИМ сигнал амплитудой в 5 вольт, скважность можно менять подстроечным резистором (вон та синяя штуковина с вырезом под отвертку). При желании можно заменить подстроечный резистор на переменный и получим удобную ручку регулировки.

Читайте также  Цифровая часть блока питания

Вариант 2 – цифровой

Более сложный для новичка – использование микроконтроллера, но вместе с тем более интересный и дающий широкие возможности. Звучит страшно, но самом деле реализуется довольно просто.

В качестве микроконтроллера удобнее всего взять отладочную плату ардуино.

Как с ней работать написано вот здесь. Подключаем ардуинку к компьютеру и заливаем в неё вот такой наисложнейший код:

Далее цепляемся осциллографом к пину D3 и видим:

ШИМ скважность 30%

Сигнал частотой (Freq) -526 Гц, амплитудой (Vmax)- 5 вольт и скважностью (duty) – 30.9 %.

Меняем скважность в коде — меняется и скважность на выходе. Добавляем датчик температуры или освещённости, прописываем зависимость скважности на выходе от показаний датчиков и — готова регулировка с обратной связью.

Как подключить к нагрузке

Напрямую генератор ШИМ сигнала к нагрузке подключать не следует, потому как он слаботочный и скорее все сразу же сгорит. Для того, чтобы управлять нагрузкой необходим ключ на мосфет-транзисторе. Берём N-канальный мосфет-транзистор IRF3205 и собираем всё по схеме:

Ардуино ШИМ на IRF3205

Резистор R1 нужен для защиты пина ардуинки от выгорания, а резистор R2 для того, чтобы транзистор полностью закрывался, когда ардуина не даёт выходного сигнала.

Как видно ничего сложного. Четыре элемента и ШИМ-контроллер готов. Он уже может управлять одноцветной светодиодной лентой или каким-нибудь моторчиком.

Если нужна трехцветная лента или больше лент (делаем многоканальный ШИМ), просто добавляем ключи на пины D3, D5, D6, D9, D10, D11 (только на них работает ШИМ). Итого, Ардуина способна управлять мощностью 6-ти устройств одновременно.

IRF3205 способен выдерживать токи до 70 Ампер при напряжении до 55 Вольт, таких характеристик вполне достаточно для решения большинства бытовых задач.

Если нужно управлять плюсовым контактом

В таком случае нам понадобится другой мосфет- транзистор — P-канальный. Схема аналогична, только подтягивающий резистор подключен к плюсу.

Также нужно будет инвертировать сигнал на выходе ардуино, ведь при подаче 5 вольт транзистор будет закрываться, а при 0 — открываться, значит шим скважностью в 30% выдаст 70% мощность на выходе схемы.

ШИМ на irf4905, питание5 v

Стоит оговориться такая схема будет работать только при питании не выше 5 вольт, так как для полного закрытия P-канального транзистора необходимо подтянуть его затвор к плюсу питания, а ардуина способна выдавать на цифровой пин только 5 вольт. Значит, при питании хотя бы чуть-чуть выше напряжения выдаваемого на цифровой пин транзистор будет не полностью закрываться при верхней части импульса ШИМ и БУДЕТ СИЛЬНО ГРЕТЬСЯ. Полностью отключить нагрузку он тоже не сможет.

Если нужно управлять, к примеру,12 -ти вольтовым устройством, то схема немного усложнится. Добавится так называемое «плечо раскачки» или драйвер полевого транзистора. По классике он собирается на двух, а иногда и на трёх транзисторах, но мы есть вариант немного проще, который работает при невысоких частотах:

Ардуино, управление ШИМ по плюсовому проводу IRF4905

Контроллер ШИМ для RGB светодиодной ленты

В качестве примера приведу схему ШИМ контроллера для RGB светодиодной ленты на ардуино. В ней используется трёхканальный ШИМ для управления тремя цветами ленты. Ниже будет ссылка на готовое устройство, собранное на этой схеме управления.

ШИМ контроллер RGB ленты на ардуино

Соединяется всё вот так:

В схеме я добавил ещё кнопку, она нам поможет в будущем переключать цвета и регулировать яркость.

Вот простой код, позволяющий засветить ленту различными цветами. Чтобы изменить цвет подставьте цифры в значения для R, G и B из комментария ниже.

Шим для светодиодов

Светодиоды используются практически во всех технике вокруг нас. Правда иногда возникает необходимость регулировать их яркость (например, в фонариках, или мониторах). Самым простым выходом в этой ситуации, кажется изменить количество тока, пропускаемого через светодиод. Но это не так. Светодиод – довольно чувствительный компонент. Постоянное изменение количества тока может существенно сократить срок его работы, или вообще сломать. Так же надо учитывать, что нельзя использовать ограничительный резистор, так как в нем будет накапливаться лишняя энергия. При использовании батареек это недопустимо. Еще одна проблема при таком подходе – цвет света будет меняться.

Как регулируется яркость светодиодов?

Есть два варианта:

  • Регулирование ШИМ
  • Аналоговое

Эти методы контролируют проходящий через светодиод ток, но между ними есть определенные различия.
Аналоговое регулирование изменяет уровень тока, который проходит через светодиоды. А ШИМ регулирует частоту подачи тока.

ШИМ-регулирование

Выходом из этой ситуации может быть использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой системе светодиоды получают необходимый ток, а яркость регулируется с помощью подачи питания с высокой частотой. То есть, частота периода подачи изменяет яркость светодиодов.
Несомненный плюс ШИМ-системы – сохранение продуктивности светодиода. КПД составит около 90%.

Виды ШИМ-регулирования

  • Двухпроводная. Часто используется в системе освещения машин. Источник питания преобразователя должен иметь схему, которая формирует сигнал ШИМ на DC-выходе.
  • Шунтирующее устройство. Чтобы сделать период включении/выключения преобразователя используют шунтирующий компонент, который обеспечивает путь для выходного тока помимо светодиода.

Параметры импульсов при ШИМ

Частота следования импульсов не меняется, поэтому никаких требований в определении яркости света к ней нет. В данном случае, меняется только ширина, или время положительного импульса.

Частота импульсов

Даже с учетом того, что особых претензий к частоте нет, существуют граничные показатели. Они определяются чувствительностью глаза человека к мельканиям. Например, если в кино мелькания кадров должны составлять 24 кадра в секунду, чтобы наш глаз воспринимал его как одно движущееся изображение.
Чтобы мелькания света воспринимались как равномерный свет, частота должна составлять не меньше 200Гц. По верхним показателям ограничений нет, но ниже никак нельзя.

Как работает регулятор ШИМ

Для непосредственного управления светодиодами применяется транзисторный ключевой каскад. Обычно для них используют транзисторы, способные накапливать большие объемы мощности.
Это необходимо при использовании светодиодных лент или мощных светодиодах.
Для небольшого количества или невысокой мощности вполне достаточно использования биполярных транзисторов. Так же можно подключать светодиоды прямо к микросхемам.

Генераторы ШИМ

В системе ШИМ в качестве задающего генератора могут использовать микроконтроллер, или схема, состоящая из схем малой степени интеграции.
Так же возможно создание регулятора из микросхем, которые предназначены для импульсных блоков питания, или логические микросхемы К561, или интегральный таймер NE565.
Умельцы используют в этих целях даже операционный усилитель. Для этого на нем собирается генератор, который можно регулировать.
Одна из наиболее используемых схем основана на таймере 555. По сути, это обычный генератор прямоугольных импульсов. Частота регулируется конденсатором С1. при выходе у конденсатора должно быть высокое напряжение (это равно с соединением с плюсовым источником питания). А заряжается он тогда, когда на выходе присутствует низкое напряжение. Этот момент и дает получение импульсов разной ширины.
Еще одной популярной схемой является ШИМ на основе микросхемы UC3843. в этом случае схема включения изменена в сторону упрощения. Для того, чтобы управлять шириной импульса, используется подача регулирующего напряжения положительной полярности. На выходе в таком случае получается нужный импульсный сигнал ШИМ.
Регулирующее напряжение действует на выход так: при снижении широта увеличивается.

Почему ШИМ?

  • Главное преимущество этой системы – легкость. Схемы использования очень просты и легки в реализации.
  • Система ШИМ – регулирования дает очень широкий диапазон регулировки яркости. Если говорить о мониторах, то возможно применение CCFL-подсветки, но в таком случае яркость можно уменьшить только в два раза, так как CCFL-подсветка очень требовательна к количеству тока и напряжению.
  • Используя ШИМ можно удерживать ток на постоянном уровне, а значит светодиоды не пострадают и цветовая температура меняться не будет.

Недостатки использования ШИМ

  • Со временем мерцание изображение может быть довольно заметно, особенно при низкой яркости или движении глаз.
  • При постоянном ярком освещении (например, свете солнца) изображение может расплываться.

Схема ШИМ-регулятора яркости светодиодов для сборки своими руками

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

Читайте также  Охранное устройство с оповещением по телефонной линии

Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -Uпит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3Uпит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -Uпит. Достигнув отметки 1/3Uпит 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.

Заказать готовую сборку от автора можно здесь.

Практические советы

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.

Простой светодиодный драйвер с ШИМ входом

Мощные светодиоды 1 Вт и выше сейчас совсем недорогие. Я уверен, что многие из вас используют такие светодиоды в своих проектах.

Однако питание таких светодиодов по-прежнему не такое простое и требует специальных драйверов. Готовые драйвера удобны, но они не регулируемые, или зачастую их возможности излишни. Даже возможности моего собственного универсального светодиодного драйвера могут быть лишними. Некоторые проекты требуют самого простого драйвера, возможности которого хватит.

Poorman’s Buck – простой светодиодный драйвер постоянного тока.

Этот светодиодный драйвер построен без микроконтроллера или специализированной микросхемы. Все используемые детали легкодоступные.

Хотя драйвер задумывался как самый простой, я добавил функцию регулировки тока. Ток может подстраиваться регулятором, установленным на плате или ШИМ сигналом. Это делает драйвер идеальным для использования с Arduino или другими управляющими устройствами — вы можете управлять мощными светодиодами микроконтроллером, просто отправляя ШИМ сигнал. С Arduino вы можете просто подавать сигнал с «AnalogWrite ()» для управления яркостью мощных светодиодов.

Особенности драйвера

Работа по схеме buck-конвертера (импульсного понижающего (step-down) преобразователя)
Широкий диапазон выходных напряжения от 5 до 24В. Питание от батарей и адаптеров переменного тока.
Настраиваемый выходной ток до 1А.
Метод контроля тока «цикл за циклом»
До 18Вт выходной мощности (при напряжении питания 24В и шестью 3 Вт светодиодами)
Контроль тока при помощи потенциометра.
Контроль тока может быть использован как встроенный диммер.
Защита от короткого замыкания на выходе.
Возможность управления ШИМ сигналом.
Маленькие размеры — всего 1х1,5х0,5 дюйма(без учета ручки потенциометра).

Схема светодиодного драйвера

Схема построена на очень распространенном интегральном двойном компараторе LM393, включённым по схеме понижающего преобразователя.

Индикатор выходного тока сделан на R10 и R11. В результате напряжение пропорционально току в соответствии с законом Ома. Это напряжение сравнивается с опорным напряжением на компараторе. Когда Q3 открывается, ток течёт через L1, светодиоды и резисторы R10 и R11. Индуктор не позволяют току повышаться резко, поэтому ток возрастает постепенно. Когда напряжение на резисторе повышается, напряжение на инвертирующем входе компаратора также увеличивается. Когда оно становится выше опорного напряжения, Q3 закрывается и ток через него перестаёт течь.

Поскольку индуктор «заряжен», в схеме остаётся ток. Он течет через диод Шоттки D3 и питает светодиоды. Постепенно этот ток затухает и цикл начинается снова. Этот метод контроля тока называется «цикл за циклом». Также этот метод имеет защиту от короткого замыкания на выходе.
Весь этот цикл происходит очень быстро — более чем 500 000 раз в секунду. Частота этих циклов изменяется в зависимости от напряжения питания, прямого падения напряжения на светодиоде и тока.

Опорное напряжение создается обычным диодом. Прямое падение напряжения на диоде составляет около 0,7В и после диода напряжение остаётся постоянным. Затем это напряжение регулируется потенциометром VR1 для контроля выходного тока. При помощи потенциометра выходной ток можно изменять в диапазоне около 11:01 или от 100% до 9%. Это очень удобно. Иногда после установки светодиодов они оказываются намного ярче, чем ожидалось. Вы можете просто уменьшить ток для получения необходимой вам яркости. Вы можете заменить потенциометр двумя обычными резисторами, если вы хотите установить яркость светодиодов один раз.

Преимущество такого регулятора в том, что он контролирует выходной ток без «сжигания» избыточной энергии. Энергии от источника питания берётся только столько, сколько нужно, чтобы получить необходимый выходной ток. Немного энергии теряется из-за сопротивления и других факторов, но эти потери минимальны. Такой конвертер имеет эффективность 90% и выше.
Этот драйвер при работе мало греется и не требует теплоотвода.

Настройка выходного тока

Драйвер может быть настроен на выходной ток от 350 мА до 1А. Изменяя значение R2 и подключая сопротивление R11, вы можете изменить выходной ток.

ШИМ-контроллер для RGB светодиодов с использованием PIC PIC12F629

Светодиоды используются практически во всех технике вокруг нас. Правда иногда возникает необходимость регулировать их яркость (например, в фонариках, или мониторах). Самым простым выходом в этой ситуации, кажется изменить количество тока, пропускаемого через светодиод. Но это не так. Светодиод – довольно чувствительный компонент. Постоянное изменение количества тока может существенно сократить срок его работы, или вообще сломать. Так же надо учитывать, что нельзя использовать ограничительный резистор, так как в нем будет накапливаться лишняя энергия. При использовании батареек это недопустимо. Еще одна проблема при таком подходе – цвет света будет меняться.

ШИМ-регулирование

Выходом из этой ситуации может быть использование широтно-импульсной модуляции (ШИМ). При такой системе светодиоды получают необходимый ток, а яркость регулируется с помощью подачи питания с высокой частотой. То есть, частота периода подачи изменяет яркость светодиодов. Несомненный плюс ШИМ-системы – сохранение продуктивности светодиода. КПД составит около 90%.



Схема ШИМ регулятора яркости светодиодов на микроконтроллере

Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода (диммер для светодиодов) на PIC-микроконтроллере.

PIC10F320/322 это безупречный вариант для конструирования различных регуляторов освещения. При этом мы обретаем достаточно конструктивно навороченный прибор с наименьшей стоимостью и незначительными затратами времени на построение. Рассмотрим несколько вариантов диммера.

Паяльный фен YIHUA 8858

Обновленная версия, мощность: 600 Вт, расход воздуха: 240 л/час…

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного резистора, при этом яркость изменяется от 0 до 100%

Яркость свечения светодиодов устанавливается потенциалом сниманием с переменного резистора R1. Это изменяемое напряжение идет на ввод RA0, функционирующий как аналоговый ввод и подсоединенный к входу AN2 АЦП микроконтроллера. Вывод ШИМ RA1 контролирует силовой ключ на транзисторе V1.

Читайте также  Как рассчитать шунт для амперметра?

Силовой транзистор возможно выбрать произвольный с логическим уровнем управления, то есть это те транзисторы, которые при получении 1…2 вольта на затвор целиком открывают свой канал.

К примеру транзистором IRF7805 возможно управлять током до 13 ампер соблюдая необходимые требования , а при любых других условиях до 5 ампер гарантировано. Разъем CON1 необходим, лишь для внутрисхемного программирования микроконтроллера, для этой же цели необходимы и сопротивления R2 и R5, то есть если микроконтроллер запрограммирован, то все эти радиоэлементы возможно не ставить.

Сопротивление R4 и BAV70 служат для защиты от перенапряжения и неправильного включения источника питания. Емкости C1 и C2 керамические и служат для снижения импульсных помех, и для надежности функционирования стабилизатора LM75L05.

Второй вариант. Здесь управление яркостью светодиодов так же осуществляется переменным резистором, а включение и выключение выполняется кнопками.

Третий вариант. Как видно в схеме отсутствует переменный резистор. В данном варианте управление яркостью свечения светодиодов выполняется исключительно двумя кнопками. Регулировка ступенчатая, изменение яркости происходит с каждым последующим нажатием.

Четвертый вариант. По сути такой же, как и третий вариант, но при удержании нажатой кнопки происходит плавное изменение свечения светодиодов.

Пятый вариант. Добавлена еще одна кнопка для включения и выключения светодиодов.

(1,9 KiB, скачано: 588)

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Генераторы ШИМ

В системе ШИМ в качестве задающего генератора могут использовать микроконтроллер, или схема, состоящая из схем малой степени интеграции. Так же возможно создание регулятора из микросхем, которые предназначены для импульсных блоков питания, или логические микросхемы К561, или интегральный таймер NE565. Умельцы используют в этих целях даже операционный усилитель. Для этого на нем собирается генератор, который можно регулировать. Одна из наиболее используемых схем основана на таймере 555. По сути, это обычный генератор прямоугольных импульсов. Частота регулируется конденсатором С1. при выходе у конденсатора должно быть высокое напряжение (это равно с соединением с плюсовым источником питания). А заряжается он тогда, когда на выходе присутствует низкое напряжение. Этот момент и дает получение импульсов разной ширины. Еще одной популярной схемой является ШИМ на основе микросхемы UC3843. в этом случае схема включения изменена в сторону упрощения. Для того, чтобы управлять шириной импульса, используется подача регулирующего напряжения положительной полярности. На выходе в таком случае получается нужный импульсный сигнал ШИМ. Регулирующее напряжение действует на выход так: при снижении широта увеличивается.

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 – -Uпит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3Uпит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -Uпит. Достигнув отметки 1/3Uпит 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.

Почему ШИМ?

  • Главное преимущество этой системы – легкость. Схемы использования очень просты и легки в реализации.
  • Система ШИМ – регулирования дает очень широкий диапазон регулировки яркости. Если говорить о мониторах, то возможно применение CCFL-подсветки, но в таком случае яркость можно уменьшить только в два раза, так как CCFL-подсветка очень требовательна к количеству тока и напряжению.
  • Используя ШИМ можно удерживать ток на постоянном уровне, а значит светодиоды не пострадают и цветовая температура меняться не будет.

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.

Особенности работы схемы, реализующей ИП

Вторичная часть схемы состоит из двух основных блоков — блока передачи тока в нагрузку и блока питания цепи обратной связи.

При замкнутом управляющем ключе (прямой режим) работает схема питания цепи обратной связи, реализованная на диоде D6, токозадающем резисторе R3, конденсаторе C5 и стабилитроне D7, задающем совместно с диодом D8 требуемое напряжение питания (5,1 В) оптопары и шунт-регулятора IC3.

Во время обратного хода энергия, запасенная в трансформаторе, передается в нагрузку через диод D10. Одновременно осуществляется зарядка накопительного конденсатора C6, который сглаживает выходные пульсации и обеспечивает постоянное напряжение питания нагрузки. Ток нагрузки задается резистором R6 и контролируется шунт-регулятором IC3.

ИП имеет защиту от отключения нагрузки и короткого замыкания нагрузки. Защиту от КЗ осуществляет шунт-регулятор TLV431, основная роль которого — регулятор цепи ОС. Короткое замыкание возникает при условии короткого пробоя всех нагрузочных LED (в случае выхода из строя одного или двух LED их функции принимают на себя параллельные стабилитроны D11…D13). Значение резистора R6 подбирается так, чтобы при рабочем токе нагрузки (350 мА в нашем случае) падение напряжения на нем составляло менее 1,25 В. При возникновении КЗ ток через R6 резко возрастает, что приводит к открыванию шунта IC3 и включению оптопары IC2 и заставляет контроллер NCP1014 уменьшить выходное напряжение.

Механизм защиты от отключения нагрузки основан на включении стабилитрона D9 параллельно нагрузке. В условиях размыкания цепи нагрузки и, как следствие, повышения выходного напряжения ИП до 47 В происходит открытие стабилитрона D9. Это приводит к включению оптопары и заставляет контроллер снизить выходное напряжение.