Controle de brilho LED

Em alguns casos, por exemplo, em lanternas ou luminárias domésticas, torna-se necessário ajustar o brilho do brilho. Parece que é mais fácil: basta alterar a corrente através do LED, aumentando ou diminuindo resistor limitador de resistência. Mas, neste caso, uma parte significativa da energia será gasta no resistor limitador, o que é completamente inaceitável com a alimentação autônoma de baterias ou acumuladores.

Além disso, a cor dos LEDs mudará: por exemplo, branco quando a corrente for menor que a nominal (para a maioria dos LEDs de 20mA) terá uma tonalidade levemente esverdeada. Essa mudança de cor em alguns casos é completamente inútil. Imagine que esses LEDs iluminem a tela de uma TV ou monitor de computador.

O princípio da PWM - regulação

Nestes casos, aplique PWM - regulação (largura de pulso). Seu significado é que LED periodicamente acende e apaga. Ao mesmo tempo, a corrente permanece nominal durante todo o tempo do flash, portanto, o espectro do brilho não é distorcido. Se o LED estiver branco, os tons de verde não aparecerão.

Além disso, com esse método de controle de energia, as perdas de energia são mínimas, a eficiência dos circuitos com controle PWM é muito alta, atingindo mais de 90%.

O princípio da regulação PWM é bastante simples e é mostrado na Figura 1. Uma proporção diferente do tempo do estado aceso e extinto no olho é percebida como brilho diferente: como em um filme - os quadros alternadamente mostrados separadamente são percebidos como uma imagem em movimento. Tudo depende da frequência da projeção, que será discutida um pouco mais tarde.

Figura 1. O princípio da regulação PWM

A figura mostra os diagramas de sinal na saída do dispositivo de controle PWM (ou um oscilador principal). Zero e um são indicados por níveis lógicos: uma unidade lógica (nível alto) faz com que o LED acenda, um zero lógico (nível baixo), respectivamente, extinção.

Embora tudo possa ser o contrário, uma vez que tudo depende do circuito da tecla de saída, o LED pode ser ligado baixo e desligado apenas alto. Nesse caso, a unidade fisicamente lógica terá um nível de voltagem baixo e o zero lógico será alto.

Em outras palavras, uma unidade lógica causa a inclusão de algum evento ou processo (no nosso caso, iluminação de LED), e um zero lógico deve desativar esse processo. Ou seja, nem sempre um nível alto na saída de um microcircuito digital é uma unidade LOGIC, tudo depende de como um circuito específico é construído. Isto é para informação. Mas, por enquanto, assumimos que a chave é controlada por um nível alto e simplesmente não pode ser de outra forma.

Frequência e largura dos pulsos de controle

Note-se que o período de repetição do pulso (ou frequência) permanece inalterado. Mas, em geral, a frequência de pulso não afeta o brilho do brilho, portanto, não há requisitos especiais para a estabilidade da frequência. Somente a duração (LARGURA), neste caso, de um pulso positivo muda, devido à qual todo o mecanismo de modulação da largura de pulso funciona.

A duração dos pulsos de controle na Figura 1 é expressa em %%. Este é o chamado "fator de preenchimento" ou, na terminologia em inglês, DUTY CYCLE. É expressa como a razão entre a duração do pulso de controle e o período de repetição do pulso.

Na terminologia russa é geralmente usado "Ciclo de serviço" - a proporção do período para o pulso de tempoa. Portanto, se o fator de preenchimento for 50%, o ciclo de serviço será 2.Não há diferença fundamental aqui, portanto, você pode usar qualquer um desses valores, para quem é mais conveniente e compreensível.

Aqui, é claro, poder-se-ia dar fórmulas para calcular o ciclo de serviço e o CICLO DE DEVER, mas, para não complicar a apresentação, ficaremos sem fórmulas. Em casos extremos, a lei de Ohm. Não há nada a ser feito: "Você não conhece a lei de Ohm, fique em casa!" Se alguém estiver interessado nessas fórmulas, elas sempre poderão ser encontradas na Internet.

Frequência PWM para dimmer

Como mencionado acima, nenhum requisito especial é imposto à estabilidade da freqüência de pulso PWM: bem, ela “flutua” um pouco e tudo bem. Essa instabilidade de frequência, a propósito, é bastante grande, os controladores PWM têm baseado no temporizador integrado NE555isso não interfere com seu uso em muitos designs. Nesse caso, é importante apenas que essa frequência não caia abaixo de um determinado valor.

E qual deve ser a frequência e quão instável pode ser? Não esqueça que estamos falando de dimmers. Na tecnologia de filmes, o termo "frequência crítica de oscilação" existe. Essa é a frequência na qual as imagens individuais exibidas uma após a outra são percebidas como uma imagem em movimento. Para o olho humano, essa frequência é 48Hz.

É por esse motivo que a frequência de filmagem em filme foi de 24 quadros / s (padrão de televisão 25 quadros / s). Para aumentar essa frequência para crítica, os projetores de filme usam um obturador de duas lâminas (obturador) que sobrepõe duas vezes cada quadro exibido.

Nos projetores amadores de filmes estreitos de 8 mm, a frequência de projeção era de 16 quadros / s; portanto, o obturador tinha até três lâminas. O mesmo objetivo na televisão é servido pelo fato de a imagem ser exibida em meio quadro: primeiro as linhas pares e depois as ímpares da imagem. O resultado é uma frequência de oscilação de 50Hz.

A operação do LED no modo PWM é um flash separado de duração ajustável. Para que esses flashes sejam percebidos pelo olho como um brilho contínuo, sua frequência deve ser não menos que crítica. Quantas você quiser, mas não de forma alguma abaixo. Esse fator deve ser considerado ao criar PWM - reguladores para luminárias.

A propósito, apenas como um fato interessante: os cientistas de alguma forma determinaram que a frequência crítica para o olho da abelha é 800Hz. Portanto, a abelha vê o filme na tela como uma sequência de imagens individuais. Para que ela veja uma imagem em movimento, a frequência de projeção precisará ser aumentada para oitocentos e meio quadros por segundo!

Diagrama funcional de um controlador PWM

Para controlar o LED real é usado estágio chave do transistor. Recentemente, o mais utilizado para esse fim transistores mosfet, permitindo que você comute energia significativa (o uso de transistores bipolares convencionais para esses fins é considerado simplesmente indecente).

Essa necessidade (um poderoso transistor MOSFET) surge com um grande número de LEDs, por exemplo, com usando faixa de LED, que será discutido mais tarde. Se a energia estiver baixa - ao usar um - dois LEDs, você poderá usar as teclas em fontes de baixa energia. transistores bipolarese, se possível, conecte os LEDs diretamente às saídas dos microcircuitos.

A Figura 2 mostra o diagrama funcional do controlador PWM. Como elemento de controle, o resistor R2 é convencionalmente mostrado no diagrama. Ao girar sua alça, é possível alterar o ciclo de trabalho dos pulsos de controle dentro dos limites exigidos e, consequentemente, o brilho dos LEDs.

Figura 2. Diagrama funcional de um controlador PWM

A figura mostra três cadeias de LEDs conectados em série com resistores limitadores. Aproximadamente a mesma conexão é usada nas tiras de LED. Quanto mais longa a fita, mais LEDs, maior o consumo atual.

É nesses casos que poderosas reguladores em transistores MOSFET, cuja corrente de drenagem permitida deve ser um pouco maior que a corrente consumida pela fita. O último requisito é cumprido com bastante facilidade: por exemplo, o transistor IRL2505 possui uma corrente de dreno de cerca de 100A, uma tensão de dreno de 55V, enquanto seu tamanho e preço são atraentes o suficiente para uso em vários projetos.

Osciladores principais de PWM

Um microcontrolador (geralmente em condições industriais), ou um circuito feito em microcircuitos com um pequeno grau de integração, pode ser usado como um oscilador mestre PWM. Se em casa é suposto produzir uma pequena quantidade de reguladores PWM, mas não há experiência na criação de dispositivos de microcontroladores, é melhor criar um regulador sobre o que está agora à mão.

Pode ser um chip lógico da série K561, um timer integrado NE555bem como microchips especializados projetados para comutação de fontes de alimentação. Nesta função, você pode até fazer o trabalho amplificador operacionaltendo montado um gerador ajustável, mas isso é, talvez, "por amor à arte". Portanto, apenas dois esquemas serão considerados abaixo: o mais comum no timer 555 e no controlador UC3843 UPS.

Esquema do oscilador principal no cronômetro 555

Figura 3. Esquema do oscilador principal

Este circuito é um gerador de onda quadrada regular cuja frequência é definida pelo capacitor C1. O capacitor é carregado através do circuito "Saída - R2 - RP1-C1 - fio comum". Nesse caso, a saída deve ter uma tensão de alto nível, o que equivale ao fato de que a saída está conectada ao polo positivo da fonte de energia.

O capacitor é descarregado através do circuito "C1 - VD2 - R2 - Saída - fio comum" no momento em que a saída é de baixa tensão, a saída é conectada a um fio comum. Essa diferença nos caminhos da carga - a descarga do capacitor de ajuste de tempo - fornece aos pulsos uma largura ajustável.

Note-se que os diodos, mesmo do mesmo tipo, possuem parâmetros diferentes. Nesse caso, sua capacitância elétrica desempenha um papel que muda sob a influência da tensão nos diodos. Portanto, juntamente com uma alteração no ciclo de trabalho do sinal de saída, sua frequência também muda.

O principal é que não se torne menor que a frequência crítica, mencionada logo acima. Caso contrário, em vez de um brilho uniforme com brilho diferente, os flashes individuais serão visíveis.

Aproximadamente (novamente, os diodos são os culpados) a frequência do gerador pode ser determinada pela fórmula mostrada abaixo.

A frequência do gerador de PWM no timer 555.

Se substituirmos a capacitância do capacitor na fórmula em farads e a resistência em Ohms, o resultado deve ser em Hz Hz: você não pode chegar a lugar algum do sistema SI! Entende-se que o motor RP1 do resistor variável está na posição intermediária (na fórmula RP1 / 2), que corresponde ao sinal de saída da forma de meandro. Na Figura 2, essa é exatamente a parte em que a duração do pulso de 50% é indicada, o que equivale a um sinal com um ciclo de trabalho de 2.

Oscilador mestre PWM no chip UC3843

Seu circuito é mostrado na Figura 4.

Figura 4. Esquema do oscilador mestre PWM no chip UC3843

O chip UC3843 é um controlador de controle PWM para alternar fontes de alimentação e é usado, por exemplo, em fontes de computador no formato ATX. Nesse caso, o esquema típico de sua inclusão é ligeiramente alterado na direção da simplificação. Para controlar a largura do pulso de saída, uma tensão de regulagem de polaridade positiva é alimentada na entrada do circuito e, em seguida, um sinal PWM modulado na largura de pulso é emitido.

No caso mais simples, a tensão reguladora pode ser aplicada usando um resistor variável com uma resistência de 22 ... 100K. Se necessário, a tensão de controle pode ser obtida, por exemplo, a partir de um sensor de luz analógico feito em um fotorresistor: quanto mais escura a janela, mais brilhante a sala.

A tensão de controle atua na saída PWM, de modo que, quando diminui, a largura do pulso de saída aumenta, o que não é de todo surpreendente.Afinal, o objetivo inicial do chip UC3843 é estabilizar a tensão da fonte de alimentação: se a tensão de saída cair e, com ela, a tensão de regulação, você precisará tomar medidas (aumentar a largura do pulso de saída) para aumentar ligeiramente a tensão de saída.

A tensão reguladora nas fontes de alimentação é gerada, via de regra, usando diodos zener. Na maioria das vezes é TL431 ou algo parecido.

Com os valores nominais das partes indicadas no diagrama, a frequência do gerador é de cerca de 1 KHz e, diferentemente do gerador no temporizador 555, ele não "flutua" quando o ciclo de trabalho do sinal de saída muda - preocupação com a constância da frequência de comutação de fontes de alimentação.

Para regular uma potência significativa, por exemplo, uma faixa de LEDs, o estágio principal do transistor MOSFET deve ser conectado à saída, conforme mostrado na Figura 2.

Seria possível falar mais sobre reguladores de PWM, mas por enquanto vamos nos concentrar nisso, e no próximo artigo consideraremos várias maneiras de conectar LEDs. Afinal, nem todos os métodos são igualmente bons, existem aqueles que devem ser evitados e há erros suficientes ao conectar os LEDs.

Continuação do artigo:Padrões de fiação de LED bons e ruins

Boris Aladyshkin