Шим диммер для светодиодного освещения. Один ШИМ и три светодиода: разработка источника питания для светодиодной линейки Схема шим регулятора яркости свечения светодиодов

28.07.2023

ШИМ-регулятор яркости на МК ATmega8, с батарейным питанием, и индикацией заряда.

Статья предназначена для лиц, обладающих некоторыми знаниями по радиоэлектронике, а именно:

что такое микроконтроллер и как его прошить,
что такое ШИМ-регулирование,
что такое светодиодный драйвер.

Проект придумывался для установки на велосипед. С чего всё начиналось. Мы с друзьями частенько участвовали в ночных вело-покатушках, поэтому нужна была фара на велосипед. Ну а обычный фонарик ставить не хотелось… нужно было что-нибудь по функциональней. Например, с регулировкой яркости «маленькая / средняя / максимальная», а так как в качестве питания планировалось использовать литий-ионный аккумулятор, то нужен был ещё и индикатор уровня заряда. В интернете я видел много подобных проектов, но они чем-то меня не устраивали. Например, мне встречались проекты ШИМ-регуляторов яркости, но у них либо отсутствовал индикатор уровня заряда, либо индикатор уровня заряда был на 1…3 светодиодах, а мне не нравилась такая маленькая информативность. Ну что ж, делать так делать, и я взялся за сборку своего проекта. Итак, в качестве индикатора заряда я беру 10 светодиодов, а вернее, беру светодиодный «столбик», вот такой:

Данный светодиодный «столбик» я заказал в интернет-магазине (в нашем городе отсутствуют радиомагазины), поэтому он приедет только через пару недель. Вместо него я временно поставил 10 обычных светодиодов.

В качестве управляющего микроконтроллера я использовал ATmega8 (либо ATmega328), так как у данного МК имеется АЦП, при помощи которого я организовал измерение уровня заряда аккумулятора. Также у данного МК имеется достаточное количество выводов (а мы ведь хотим подключить аж 10 светодиодов). Данный микроконтроллер распространён в радиомагазинах, и стоит отностиельно дёшево – в пределах 50…100 рублей, в зависимости от жадности магазина и типа корпуса.

Чтобы понять, как работает устройство, посмотрим на блок-схему:

В данной статье описывается только то, что касается ШИМ-регулятора (левая часть блок-схемы), а драйвер светодиода и сам светодиод Вы выбираете на свой вкус, тот который Вам больше подходит. Мне подходит драйвер ZXSC400, поэтому его я буду рассматривать как пример.

ШИМ-регулятор должен быть подключен к светодиодному драйверу, у которого есть функция регулировки яркости (DIM, PWM, и т. п.), например, ZXSC400. Можно использовать любой другой подходящий драйвер, главное чтобы он поддерживал ШИМ-регулировку яркости, и питался от того же аккумулятора, которым питается ШИМ-регулятор. Для тех, кто не знает что такое светодиодный драйвер – поясню: драйвер нужен для того, чтобы светодиод светился одинаково ярко как при заряженном аккумуляторе, так и при севшем аккумуляторе. Иными словами – драйвер светодиода поддерживает стабильный ток через светодиод.

Типовая схема включения светодиодного драйвера ZXSC400:

Питание этой схемы нужно соединить с питанием нашего ШИМ-регулятора, а ШИМ-выход с регулятора нужно подключить ко входу «STDN» драйвера ZXSC400. Вывод «STDN» как раз служит для регулировки яркости при помощи ШИМ сигнала. Аналогичным способом можно подключить ШИМ-регулятор ко многим другим светодиодным драйверам, но это уже отдельная тема.

Алгоритм работы устройства. При подаче питания, МК на 1 секунду отображает уровень заряда аккумулятора (на светодиодной шкале из 10 светодиодов), затем светодиодная шкала гаснет, МК переходит в режим энергосбережения, и ждёт команд управления. Всё управление я сделал на одной кнопке, чтобы на велосипеде тянуть меньше проводов. При удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор включается, на ШИМ-выход подаётся сигнал со скважностью 30% (1/3 яркости светодиода). При повторном удерживании кнопки более 1 секунды, ШИМ-регулятор выключается, на ШИМ-выход не подаётся сигнал (скважность 0%). При кратковременном нажатии на кнопку, происходит переключение яркости 30% - 60% - 100%, а также на 1 секунду отображается заряд аккумулятора. Таким образом, однократное нажатие изменяет яркость светодиода, а долгое нажатие включает/выключает светодиод. Для проверки работоспособности ШИМ-регулятора, я подключил к его выходу обычный светодиод, но ещё раз повторюсь – исключительно в целях проверки работоспособности. В дальнейшем я подключу ШИМ-регулятор к драйверу ZXSC400. Более подробно и наглядно работа устройства показывается на видео (ссылка в конце статьи).

Также процесс регулировки яркости показывает следующая схема:

Что делать, если не устраивают данные значения яркости? Например, хочется чтобы было так: 1 %, затем 5 %, затем 100 %. Я предусмотрел и такой вариант. Теперь пользователь может сам установить эти три значения яркости, какие ему хочется! Для этого я написал небольшую программку, которая на основе желаемых значений генерирует файл для прошивки EEPROM. Прошив в микроконтроллер данный файл, яркости соответственно поменяются на желаемые. Прилагаю скриншот окна программы:

Если не прошивать файл EEPROM, то значения яркости останутся «по умолчанию» - 30 %, 60 %, 100 %. Правильно собранное устройство не нуждается в настройке. При желании можно лишь настроить минимальную, среднюю, и максимальную яркость по своему усмотрению. Программка и инструкция по использованию находятся в конце статьи.

Выбор используемого аккумулятора. Я использовал Li-ion аккумулятор ввиду его распространённости и дешевизны. Но в схеме я предусмотрел перемычку J1, при помощи которой можно выбрать, что мы используем в качестве питания.

Если перемычка J1 находится в положении «1», то используется один Li-ion аккумулятор. Если перемычка J1 находится в положении «2», то используются три обычные батарейки типа AAA/AA/C/D, соединённые последовательно. Перемычка J1 необходима для правильного отображения уровня заряда аккумулятора, так как у Li-ion аккумулятора рабочее напряжение находится примерно в диапазоне 3,3…4,2в, а у обычных батареек рабочее напряжение примерно равно 3,0…4,5в. Таблицы соответствия напряжений аккумулятора с показаниями индикатора я приложил внизу статьи.

Индикаторные светодиоды. Светодиоды, отображающие уровень заряда аккумулятора, могут быть любыми. Подстроить их яркость в небольших пределах можно при помощи изменения номинала токоограничивающего резистора R1. Для отображения уровня заряда используется динамическая индикация, благодаря которой достигается экономия энергии, так как в один момент времени светится только один светодиод. Про индикацию уровня заряда аккумулятора также можно посмотреть на видео (ссылка в конце статьи).

Микроконтроллер может быть как ATmega8, так и ATmega328. Оба этих микроконтроллера совместимы по расположению контактов, и различаются лишь содержанием «прошивки». Я использовал ATmega328, так как этот МК был у меня в наличии. В целях снижения энергопотребления, микроконтроллер работает от внутреннего RC-генератора на 1 МГц. Программа микроконтроллера написана в среде 4.3.6.61 (или 4.3.9.65).

В схеме применена микросхема-источник опорного напряжения TL431. С её помощью достигается неплохая точность измерения напряжения аккумулятора. Питание на TL431 подаётся с вывода PC1 микроконтроллера через резистор R3. Подача напряжения питания на TL431 происходит только во время индикации уровня заряда. После того, как светодиоды индикации гаснут, подача питающего напряжения прекращается, обеспечивая экономию энергии аккумулятора. Микросхему TL431 можно найти в негодных блоках питания от компьютеров, в сломанных зарядных устройствах от сотовых телефонов, в импульсных блоках питания от ноутбуков и различной радиоэлектронной техники. Я применил TL431 в корпусе SOIC-8 (smd вариант), но TL431 больше распространена в корпусе TO-92, поэтому я сделал несколько вариантов печатных плат.

Об эмуляции в программе " ". Проект в Proteus работает некорректно. Ввиду того, что модель ATmega8 не выходит из спящего режима, а также с тормозами отображается динамическая индикация. Если после запуска проекта, сразу удерживать кнопку, чтобы ШИМ-регулятор включился, то всё работает. Но стОит повторным удерживанием кнопки выключить ШИМ-регулятор, как МК погрузится в сон, и больше не проснётся (до перезапуска проекта). Проект в Proteus не прилагаю. Кто хочет поиграться – пишите, вышлю проект в Proteus.

Основные технические характеристики:

Напряжение питания, при котором гарантируется работоспособность: 2,8 ... 5 вольт
Частота ШИМ сигнала: 244 Гц
Частота динамической индикации шкалы из 10 светодиодов: 488 Гц (на 10 светодиодов) или 48,8 Гц (на каждый светодиод)
Количество режимов яркости, переключаемых по циклу: 3 режима
Возможность изменения пользователем яркости каждого из режимов: Имеется

Ниже вы можете скачать прошивки для МК ATmega8 и ATmega328

Шутов Максим, г.Вельск

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
U1	МК AVR 8-бит	ATmega8-16PU	1	В блокнот
U2	ИС источника опорного напряжения	TL431ILP	1	В блокнот
	Резисторы
R1, R2	Резистор постоянный SMD 1206	330 Ом	2	В блокнот
R3	Резистор постоянный SMD 1206	1 кОм	1	В блокнот
R4	Резистор постоянный SMD 1206	10 кОм	1	В блокнот
R5	Резистор постоянный SMD 1206	47 кОм	1	В блокнот
	Резистор постоянный SMD 1206

Микросхема NCP1014 представляет собой ШИМ-контроллер с фиксированной частотой преобразования и встроенным высоковольтным ключом. Дополнительные внутренние блоки, реализованные в составе микросхемы (см. рис. 1), позволяют ей обеспечить весь спектр функциональных требований, предъявляемых к современным источникам питания.

Рис. 1.

Контроллеры серии NCP101X были подробно рассмотрены в статье Константина Староверова в номере 3 журнала за 2010 год, поэтому, в статье мы ограничимся рассмотрением лишь ключевых особенностей микросхемы NCP1014 , а основное внимание уделим рассмотрению особенностей расчета и механизма работы ИП, представленного в эталонном дизайне.

Особенности контроллера NCP1014

Интегрированный выходной 700-вольтовый MOSFET-транзистор с малым сопротивлением открытого канала (11Ом);
обеспечение выходного тока драйвера до 450мА;
возможность работы на нескольких фиксированных частотах преобразования- 65 и 100кГц;
частота преобразования варьируется в пределах ±3…6% относительно ее предустановленного значения, что позволяет «размыть» мощность излучаемых помех в пределах определенного частотного диапазона и тем самым снизить уровень EMI;
встроенная высоковольтная система питания способна обеспечить работоспособность микросхемы без применения трансформатора с третьей вспомогательной обмоткой, что в значительной мере упрощает намотку трансформатора. Данная особенность обозначается производителем как DSS (Dynamic Self-Supply — автономное динамическое питание), однако его использование ограничивает выходную мощность ИП;
возможность работать с максимальной эффективностью при малых токах нагрузки благодаря режиму пропуска импульсов ШИМ, что позволяет добиться малой мощности холостого хода- не более 100мВт при питании микросхемы от третьей вспомогательной обмотки трансформатора;
переход в режим пропуска импульсов происходит при снижении тока потребления нагрузки до значения 0,25 от номинально заданного, что снимает проблему генерации акустических шумов даже при использовании недорогих импульсных трансформаторов;
реализована функция плавного запуска (1мс);
вывод обратной связи по напряжению напрямую подключается к выходу оптопары;
реализована система защиты от короткого замыкания с последующим возвратом в нормальный режим работы после его устранения. Функция позволяет отслеживать как непосредственно короткое замыкание в нагрузке, так и ситуацию с обрывом цепи обратной связи в случае повреждения развязывающей оптопары;
встроенный механизм защиты от перегрева.

Контроллер NCP1014 выпускается в корпусах трех типов — SOT-223, PDIP-7 и PDIP-7 GULLWING (см. рис. 2) с расположением выводов, показанном на рис. 3. Последний корпус является особой версией корпуса PDIP-7 со специальной формовкой выводов, что делает его пригодным для поверхностного монтажа.

Рис. 2.

Рис. 3.

Типовая схема применения контроллера NCP1014 в обратноходовом (Flyback ) преобразователе представлена на рисунке 4.

Рис. 4.

Метод расчета ИП на базе контроллера NCP1014

Рассмотрим метод пошагового расчета обратноходового преобразователя на базе NCP1014 на примере эталонной разработки ИП выходной мощностью до 5 Вт для питания системы из трех последовательно-включенных светодиодов . В качестве светодиодов рассмотрены одноваттные белые светодиоды с током нормировки 350 мА и падением напряжения 3,9 В.

Первым шагом является определение входных, выходных и мощностных характеристик разрабатываемого ИП:

диапазон входного напряжения — Vac(min) = 85В, Vac(max) = 265В;
выходные параметры- Vout= 3х3,9В ≈ 11,75В, Iout = 350мА;
выходная мощность- Pout= VoutхIout = 11,75 Вх0,35 А ≈ 4,1Вт
входная мощность- Pin = Pout/h, где h — оценочный КПД = 78%

Pin = 4,1 Вт/0,78 = 5,25 Вт

диапазон входного напряжения по постоянному току

Vdc(min) = Vdc(min) х 1,41 = 85 х 1,41 = 120 В (dc)

Vdc(max) = Vdc(max) х 1,41 = 265 х 1,41 = 375 В (dc)

средний входной ток — Iin(avg) = Pin / Vdc(min) ≈ 5,25/120 ≈ 44мА
пиковый входной ток- Ipeak= 5хIin(avg) ≈ 220мА.

Первым входным звеном является предохранитель и EMI-фильтр, и их выбор является вторым шагом при проектировании ИП. Предохранитель должен выбираться исходя из значения тока разрыва, и в представленной разработке выбран предохранитель с током разрыва 2 А. Мы не будем углубляться в процедуру расчета входного фильтра, а лишь отметим, что степень подавления синфазных и дифференциальных помех в значительной мере зависит от топологии печатной платы, а также близости расположения фильтра к разъему питания.

Третьим шагом является расчет параметров и выбор диодного моста. Ключевыми параметрами здесь являются:

допустимое обратное (блокирующее) напряжение диода- VR ≥ Vdc(max) = 375В;
прямой ток диода- IF ≥ 1,5хIin(avg) = 1,5х0,044 = 66мА;
допустимый ток перегрузки (surge current ), который может достигать пятикратного значения среднего тока:

IFSM ≥ 5 х IF = 5 х 0,066 = 330 мА.

Четвертым шагом является расчет параметров входного конденсатора, устанавливаемого на выход диодного моста. Размеры входного конденсатора определяются пиковым значением выпрямленного входного напряжения и заданным уровнем входных пульсаций. Больший входной конденсатор обеспечивает более низкие значения пульсаций, но увеличивает пусковой ток ИП. В общем случае емкость конденсатора определяется следующей формулой:

Cin = Pin/, где

fac — частота сети переменного тока (60 Гц для рассматриваемого дизайна);

DV — допустимый уровень пульсаций (20% от Vdc(min) в нашем случае).

Cin = 5,25/ = 17 мкФ.

В нашем случае мы выбираем алюминиевый электролитический конденсатор емкостью 33 мкФ.

Пятым и основным шагом является расчет моточного изделия — импульсного трансформатора. Расчет трансформатора является наиболее сложной, важной и «тонкой» частью всего расчета источника питания. Основными функциями трансформатора в обратноходовом преобразователе является накопление энергии при замкнутом управляющем ключе и протекании тока через его первичную обмотку, а затем — ее передача во вторичную обмотку при отключении питания первичной части схемы.

С учетом входных и выходных характеристик ИП, рассчитанных на первом шаге, а также требования по обеспечению работы ИП в режиме непрерывного тока трансформатора, максимальное значение коэффициента заполнения (duty cycle ) равно 48%. Все расчеты трансформатора мы будем проводить, основываясь на данном значении коэффициента заполнения. Обобщим расчетные и заданные значения ключевых параметров:

частота работы контроллера fop= 100 кГц
коэффициент заполнения dmax= 48%
минимальное входное напряжение Vin(min) = Vdc(min) — 20% = 96В
выходная мощность Pout= 4,1Вт
оценочное значение КПДh = 78%
пиковое значение входного тока Ipeak= 220мА

Теперь мы можем произвести расчет индуктивности первичной обмотки трансформатора:

Lpri = Vin(min) х dmax/(Ipeak х fop) = 2,09 мГн

Соотношение количества витков обмоток определяется уравнением:

Npri/Nsec = Vdc(min) х dmax/(Vout + V F х (1 — dmax)) ≈ 7

Нам осталось проверить способность трансформатора «прокачать» через себя требуемую выходную мощность. Сделать это можно с помощью следующего уравнения:

Pin(core) = Lpri х I 2 peak х fop/2 ≥ Pout

Pin(core) = 2,09 мГн х 0,22 2 х 100 кГц/2 = 5,05 Вт ≥ 4,1 Вт.

Из результатов следует, что наш трансформатор может прокачать требуемую мощность.

Можно заметить, что здесь мы привели далеко не полный расчет параметров трансформатора, а лишь определили его индуктивные характеристики и показали достаточную мощность выбранного решения. По расчету трансформаторов написано множество трудов, и читатель может найти интересующие его методики расчета, например в или . Освещение этих методик выходит за рамки данной статьи.

Электрическая схема ИП, соответствующая проведенным расчетам, представлена на рисунке 5.

Рис. 5.

Теперь пришла пора ознакомиться с особенностями приведенного решения, расчет которых не был приведен выше, но которые имеют большое значение для функционирования нашего ИП и понимания особенностей реализации защитных механизмов, реализуемых контроллером NCP1014.

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.

Желаете познакомиться с NCP1014 лично? — Нет проблем!

Для тех, кто перед началом разработки собственного ИП на базе NCP1014 хочет убедиться в том, что это действительно простое, надежное и эффективное решение, компания ONSemiconductor выпускает несколько типов оценочных плат (см таблицу 1, рис. 6; доступны для заказа через компанию КОМПЭЛ).

Таблица 1. Обзор оценочных плат

Код заказа	Наименование	Краткое описание
NCP1014LEDGTGEVB	Драйвер светодиодов мощностью 8 Вт с коэффициентом мощности 0,8	Плата разработана с целью демонстрации возможности построения LED-драйвера с коэффициентом мощности > 0,7 (стандарт Energy Star) без применения дополнительной микросхемы PFC. Выходная мощность (8 Вт) делает представленное решение идеальным для питания структур подобных Cree XLAMP MC-E, содержащих четыре последовательных светодиода в одном корпусе.
NCP1014STBUCGEVB	Неинвертирующий понижающий преобразователь	Плата является доказательством утверждения, что контроллера NCP1014 достаточно для построения ИП низкого ценового диапазона для жестких условий работы.

Рис. 6.

Кроме того, существует еще несколько примеров готового дизайна различных ИП, помимо рассмотренного в статье. Это и 5 Вт AC/DC-адаптер для сотовых телефонов , и еще один вариант ИП для LED , а также большое количество статей по применению контроллера NCP1014, которые вы можете найти на официальном сайте компании ONSemiconductor — http://www.onsemi.com/ .

Компания КОМПЭЛ является официальным дистрибьютором ONSemiconductor и поэтому на нашем сайте вы всегда можете найти информацию о доступности и стоимости микросхем, выпускаемых ONS, а также заказать опытные образцы, в том числе и NCP1014.

Заключение

Использование контроллера NCP1014, выпускаемого компанией ONS, позволяет разрабатывать высокоэффективные AC/DC-преобразователи для питания нагрузки стабилизированным током. Грамотное использование ключевых возможностей контроллера позволяет обеспечить безопасность работы конечного ИП в условиях размыкания или короткого замыкания нагрузки при минимальном числе дополнительных электронных компонентов.

Литература

1. Константин Староверов «Применение контроллеров NCP101X/102X при разработке сетевых источников питания средней мощности», журнал «Новости электроники», №3 , 2010, сс. 7-10.

4. Мэк Раймонд. Импульсные источники питания. Теоретические основы проектирования и руководство по практическому применению/Пер. с англ. Пряничникова С.В., М.: Издательский дом «Додэка-ХХI», 2008, — 272 с.: ил.

5. Вдовин С.С. Проектирование импульсных трансформаторов, Л.: Энергоатомиздат, 1991, — 208 с.: ил.

6. TND329-D. «5W Cellular Phone CCCV AC-DC Adepter»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND329-D.PDF .

7. TND371-D. «Offline LED Driver Intended for ENERGY STAR»/ http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/TND371-D.PDF .

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

NCP4589 — LDO-регулятор
с автоматическим энергосбережением

NCP4589 — новый КМОП LDO-регулятор на 300 мА от ON Semiconductor . NCP4589 переключается в режим низкого потребления при малой токовой нагрузке и автоматически переключается обратно в «быстрый» режим, как только нагрузка на выходе превышает 3 мА.

NCP4589 может быть переведен в режим постоянной быстрой работы посредством принудительного выбора режима (управлением по специальному входу).

Основные характеристики NCP4589:

Рабочий диапазон входных напряжений: 1,4…5,25В
Выходной диапазон напряжений: 0,8…4,0В (с шагом 0,1В)
Входной ток в трех режимах:

Режим низкого потребления — 1,0 мкА при V OUT < 1,85 В

Быстрый режим — 55 мкА

Режим энергосбережения — 0,1 мкА

Минимальное падение напряжения: 230мВ при I OUT = 300мА, V OUT = 2,8В
Высокий коэффициент подавления пульсаций по напряжению: 70дБ при 1кГц (в быстром режиме).

NCP4620 — LDO-регулятор с широким диапазоном входных напряжений

NCP4620 — это КМОП LDO-регулятор на ток 150 мА от ON Semiconductor с диапазоном входных напряжений от 2,6 до 10 В. Устройство имеет высокую точность на выходе — порядка 1% — с низким температурным коэффициентом ±80 ppm/°C.

NCP4620 имеет защиту от перегрева и вход отключения (Enable), представлен в модификациях со стандартным выходом и выходом с автоматическим разрядом (Auto Discharge).

Основные характеристики NCP4620:

Диапазон рабочего входного напряжения от 2,6 до 10В (макс. 12В)
Диапазон выходных фиксированных напряжений от 1,2 до 6,0В (сшагом 100мВ)
Прямое минимальное падение напряжения- 165мВ (при 100мА)
Подавление пульсаций питания- 70дБ
Отключение питания микросхемы при перегреве до 165°C

В некоторых случаях, например, в фонариках или домашних осветительных приборах, возникает необходимость регулировать яркость свечения. Казалось бы, чего уж проще: достаточно изменить ток через светодиод, увеличив или уменьшив . Но в этом случае на ограничительном резисторе будет расходоваться значительная часть энергии, что совсем недопустимо при автономном питании от батарей или аккумуляторов.

Кроме того, цвет свечения светодиодов будет изменяться: например, белый цвет при понижении тока меньше номинального (для большинства светодиодов 20мА) будет иметь несколько зеленоватый оттенок. Такое изменение цвета в ряде случаев совершенно ни к чему. Представьте себе, что эти светодиоды подсвечивают экран телевизора или компьютерного монитора.

В этих случаях применяется ШИМ - регулирование (широтно - импульсное) . Смысл его в том, что периодически зажигается и гаснет. При этом ток на протяжении всего времени вспышки остается номинальным, поэтому спектр свечения не искажается. Уж если светодиод белый, то зеленые оттенки появляться не будут.

К тому же при таком способе регулирования мощности потери энергии минимальны, КПД схем с ШИМ регулированием очень высок, достигает 90 с лишним процентов.

Принцип ШИМ - регулирования достаточно простой, и показан на рисунке 1. Различное соотношение времени зажженного и погашенного состояния на глаз воспринимается как : как в кино - отдельно показываемые поочередно кадры воспринимаются как движущееся изображение. Здесь все зависит от частоты проекции, о чем разговор будет чуть позже.

Рисунок 1. Принцип ШИМ - регулирования

На рисунке изображены диаграммы сигналов на выходе устройства управления ШИМ (или задающий генератор). Нулем и единицей обозначены : логическая единица (высокий уровень) вызывает свечение светодиода, логический нуль (низкий уровень), соответственно, погасание.

Хотя все может быть и наоборот, поскольку все зависит от схемотехники выходного ключа, - включение светодиода может осуществляться низким уровнем а выключение, как раз высоким. В этом случае физически логическая единица будет иметь низкий уровень напряжения, а логический нуль высокий.

Другими словами, логическая единица вызывает включение какого-то события или процесса (в нашем случае засвечивание светодиода), а логический нуль должен этот процесс отключить. То есть не всегда высокий уровень на выходе цифровой микросхемы является ЛОГИЧЕСКОЙ единицей, все зависит от того, как построена конкретная схема. Это так, для сведения. Но пока будем считать, что ключ управляется высоким уровнем, и по-другому просто быть не может.

Частота и ширина управляющих импульсов

Следует обратить внимание на то, что период следования импульсов (или частота) остается неизменным. Но, в общем, частота импульсов на яркость свечения влияния не оказывает, поэтому, к стабильности частоты особых требований не предъявляется. Меняется лишь длительность (ШИРИНА), в данном случае, положительного импульса, за счет чего и работает весь механизм широтно-импульсной модуляции.

Длительность управляющих импульсов на рисунке 1 выражена в %%. Это так называемый «коэффициент заполнения» или, по англоязычной терминологии, DUTY CYCLE. Выражается отношением длительности управляющего импульса к периоду следования импульсов.

В русскоязычной терминологии обычно используется «скважность» - отношение периода следования к времени импульс а. Таким образом если коэффициент заполнения 50%, то скважность будет равна 2. Принципиальной разницы тут нет, поэтому, пользоваться можно любой из этих величин, кому как удобней и понятней.

Здесь, конечно, можно было бы привести формулы для расчета скважности и DUTY CYCLE, но, чтобы не усложнять изложение, обойдемся без формул. В крайнем случае, закон Ома. Уж тут ничего не поделаешь: «Не знаешь закон Ома, сиди дома!». Если уж кого эти формулы заинтересуют, то их всегда можно найти на просторах Интернета.

Частота ШИМ для светорегулятора

Как было сказано чуть выше, особых требований к стабильности частоты импульсов ШИМ не предъявляется: ну, немного «плавает», да и ладно. Подобной нестабильностью частоты, кстати, достаточно большой, обладают ШИМ - регуляторы , что не мешает их применению во многих конструкциях. В данном случае важно лишь, чтобы эта частота не стала ниже некоторого значения.

А какая должна быть частота, и насколько она может быть нестабильна? Не забывайте, что речь идет о светорегуляторах. В кинотехнике существует термин «критическая частота мельканий». Это частота, при которой отдельные картинки, показываемые друг за другом, воспринимаются как движущееся изображение. Для человеческого глаза эта частота составляет 48Гц.

Вот именно по этой причине частота съемки на кинопленке составляла 24кадр/сек (телевизионный стандарт 25кадр/сек). Для повышения этой частоты до критической в кинопроекторах применяется двухлопастной обтюратор (заслонка) дважды перекрывающий каждый показываемый кадр.

В любительских узкопленочных 8мм проекторах частота проекции составляла 16кадр/сек, поэтому обтюратор имел аж три лопасти. Тем же целям в телевидении служит тот факт, что изображение показывается полукадрами: сначала четные, а потом нечетные строки изображения. В результате получается частота мельканий 50Гц.

Работа светодиода в режиме ШИМ представляет собой отдельные вспышки регулируемой длительности. Чтобы эти вспышки воспринимались на глаз как непрерывное свечение, их частота должна быть никак не меньше критической. Выше сколько угодно, но ниже никак нельзя. Этот фактор следует учитывать при создании ШИМ - регуляторов для светильников .

Кстати, просто, как интересный факт: ученые каким-то образом определили, что критическая частота для глаза пчелы составляет 800Гц. Поэтому кинофильм на экране пчела увидит как последовательность отдельных изображений. Для того, чтобы она увидела движущееся изображение, частоту проекции потребуется увеличить до восьмисот полукадров в секунду!

Для управления собственно светодиодом используется . В последнее время наиболее широко для этой цели используются , позволяющие коммутировать значительную мощность (применение для этих целей обычных биполярных транзисторов считается просто неприличным).

Такая потребность, (мощный MOSFET - транзистор) возникает при большом количестве светодиодов, например, при , о которых будет рассказано чуть позже. Если же мощность невелика - при использовании одного - двух светодиодов, можно использовать ключи на маломощных , а при возможности подключать светодиоды непосредственно к выходам микросхем.

На рисунке 2 показана функциональная схема ШИМ - регулятора. В качестве элемента управления на схеме условно показан резистор R2. Вращением его ручки можно в необходимых пределах изменять скважность управляющих импульсов, а, следовательно, яркость светодиодов.

Рисунок 2. Функциональная схема ШИМ - регулятора

На рисунке показаны три цепочки последовательно соединенных светодиодов с ограничивающими резисторами. Примерно такое же соединение применяется в светодиодных лентах. Чем длиннее лента, тем больше светодиодов, тем больше потребляемый ток.

Именно в этих случаях потребуются мощные , допустимый ток стока которых должен быть чуть больше тока, потребляемого лентой. Последнее требование выполняется достаточно легко: например, у транзистора IRL2505 ток стока около 100А, напряжение стока 55В, при этом, его размеры и цена достаточно привлекательны для использования в различных конструкциях.

Задающие генераторы ШИМ

В качестве задающего ШИМ - генератора может использоваться микроконтроллер (в промышленных условиях чаще всего), или схема, выполненная на микросхемах малой степени интеграции. Если в домашних условиях предполагается изготовить незначительное количество ШИМ - регуляторов, а опыта создания микроконтроллерных устройств нет, то лучше сделать регулятор на том, что в настоящее время оказалось под рукой.

Это могут быть логические микросхемы серии К561, интегральный таймер , а также специализированные микросхемы, предназначенные для . В этой роли можно заставить работать даже , собрав на нем регулируемый генератор, но это уж, пожалуй, «из любви к искусству». Поэтому, далее будут рассмотрены только две схемы: самая распространенная на таймере 555, и на контроллере ИБП UC3843.

Схема задающего генератора на таймере 555

Рисунок 3. Схема задающего генератора

Эта схема представляет собой обычный генератор прямоугольных импульсов, частота которого задается конденсатором C1. Заряд конденсатора происходит по цепи «Выход - R2 - RP1- C1 - общий провод». При этом на выходе должно присутствовать напряжение высокого уровня, что равнозначно, что выход соединен с плюсовым полюсом источника питания.

Разряжается конденсатор по цепи «C1 - VD2 - R2 - Выход - общий провод» в то время, когда на выходе присутствует напряжение низкого уровня, - выход соединен с общим проводом. Вот эта разница в путях заряда - разряда времязадающего конденсатора и обеспечивает получение импульсов с регулируемой шириной.

Следует заметить, что диоды, даже одного типа, имеют разные параметры. В данном случае играет роль их электрическая емкость, которая изменяется под действием напряжения на диодах. Поэтому вместе с изменением скважности выходного сигнала меняется и его частота.

Главное, чтобы она не стала меньше критической частоты, о которой было упомянуто чуть выше. Иначе вместо равномерного свечения с различной яркостью будут видны отдельные вспышки.

Приблизительно (опять же виноваты диоды) частоту генератора можно определить по формуле, показанной ниже.

Частота генератора ШИМ на таймере 555.

Если в формулу емкость конденсатора подставить в фарадах, сопротивление в Омах, то результат должен получиться в герцах Гц: от системы СИ никуда не денешься! При этом подразумевается, что движок переменного резистора RP1 находится в среднем положении (в формуле RP1/2), что соответствует выходному сигналу формы меандр. На рисунке 2 это как раз та часть, где указана длительность импульса 50%, что равнозначно сигналу со скважностью 2.

Задающий генератор ШИМ на микросхеме UC3843

Его схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема задающего генератора ШИМ на микросхеме UC3843

Микросхема UC3843 является управляющим ШИМ - контроллером для импульсных блоков питания и применяется, например, в компьютерных источниках формата ATX. В данном случае типовая схема ее включения несколько изменена в сторону упрощения. Для управления шириной выходного импульса на вход схемы подается регулирующее напряжение положительной полярности, то на выходе получается импульсный сигнал ШИМ.

В простейшем случае регулирующее напряжение можно подать с помощью переменного резистора сопротивлением 22…100КОм. При необходимости можно управляющее напряжение получать, например, с аналогового датчика освещенности, выполненного на фоторезисторе: чем темнее за окном, тем светлее в комнате.

Регулирующее напряжение воздействует на выход ШИМ, таким образом, что при его снижении ширина выходного импульса увеличивается, что вовсе не удивительно. Ведь исходное назначение микросхемы UC3843 - стабилизация напряжения блока питания: если выходное напряжение падает, а вместе с ним и регулирующее напряжение, то надо принимать меры (увеличивать ширину выходного импульса) для некоторого повышения выходного напряжения.

Регулирующее напряжение в блоках питания вырабатывается, как правило, с помощью стабилитронов. Чаще всего это или им подобные.

При указанных на схеме номиналах деталей частота генератора около 1КГц, и в отличие от генератора на таймере 555, она при изменении скважности выходного сигнала не «плавает» - забота о постоянстве частоты импульсных блоков питания.

Чтобы регулировать значительную мощность, например, светодиодная лента, к выходу следует подключить ключевой каскад на транзисторе MOSFET, как было показано на рисунке 2.

Можно было бы и побольше рассказать о ШИМ - регуляторах, но пока остановимся на этом, а в следующей статье рассмотрим различные способы подключения светодиодов. Ведь не все способы одинаково хороши, есть такие, которых следует избегать, да и просто ошибок при подключении светодиодов случается предостаточно.

В данной статье описано как собрать простой, но эффективный регулятор яркости светодиодов основанный на ШИМ регулировании яркости () свечения светодиодов.

Светодиоды (светоизлучающие диоды) очень чувствительные компоненты. При превышение питающего тока или напряжения выше допустимого значения может привести к выходу их из строя или же значительно сократить срок службы.

Обычно ток ограничивается с помощью резистора последовательно подключенного к светодиоду, или же регулятором тока цепи (). Увеличение тока на светодиоде увеличивает его интенсивность свечения, а снижение тока уменьшает его. Один из способов регулирования яркости свечения является использование переменного резистора () для динамического изменения яркости.

Но это только применимо к единичному светодиоду, поскольку даже в одной партии могут быть диоды с разной силой свечения и это повлияет на неравномерность свечения группы светодиодов.

Широтно-импульсная модуляция. Намного эффективнее метод регулирования яркости свечения путем применение (ШИМ). С ШИМ, группы светодиодов обеспечиваются рекомендуемым током, и в тоже время появляется возможность производить регулирование яркости за счет подачи питания с высокой частотой. Изменение периода вызывает изменение яркости.

Рабочий цикл можно представить как соотношение времени включения и выключения питания поступающего на светодиод. Допустим, если рассмотреть цикл в одну секунду и при этом в выключенном состоянии светодиод будет 0,1 сек., а во включенном 0,9 сек., то получается что свечение составит около 90% от номинального значения.

Описание шим регулятора яркости

Самый простой способ для достижения данного высокочастотного переключения – применение микросхемы , одой из самых распространенных и самых универсальных микросхем, когда-либо созданных. Схема ШИМ регулятора, показанная ниже предназначен для использования в качестве диммера для питания светодиодов (12 вольт) или регулятора скорости вращения для двигателя постоянного тока на 12 В.

В данной схеме, сопротивление резисторов к светодиодам необходимо подобрать, чтобы обеспечить прямой ток в 25 мА. В результате общий ток трех линеек светодиодов составит 75мА. Транзистор должен быть рассчитан на ток не менее 75 мА, но лучше взять с запасом.

Эта схема диммера осуществляет регулировку от 5% до 95%, но используя германиевые диоды вместо , диапазон может быть расширен от 1% до 99% от номинального значения.

Имеется большое количество различных схемных решений, однако в нашем случае мы разберем несколько вариантов ШИМ регулятор яркости светодиода () 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.

Первый вариант. Базовый регулятор яркости светодиода в котором изменение яркости свечения светодиодов осуществляется путем вращения ручки переменного , 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.

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.