В предыдущей статье я обсуждал светодиоды в целом и их свойства. В этой статье я хочу привести несколько примеров управления светодиодами и сравнить несколько наиболее часто используемых методов. Не существует «одного размера для всех», но я постараюсь максимально обобщить. Идея состоит в том, чтобы иметь возможность эффективно контролировать яркость светодиодов и при этом продлевать их жизнь. Эффективный водитель может иметь решающее значение, если вы планируете использовать его в долгосрочной перспективе. Давайте посмотрим на проблему, а затем обсудим решения.
Проблема регулировки яркости светодиодов
Большинству новичков будет интересно заставить светодиод светиться, не взрывая его. Чуть дальше дело доходит до управления яркостью, а затем смешивания цветов для получения любого оттенка из палитры цветов. В любом случае важно иметь четкое представление о конечном приложении. Освещение, такое как освещение рабочего стола, редко требует управления светом для романтического настроения. Напротив, свет для дискотеки потребует колеблющейся интенсивности разноцветных светодиодов.
Так как воспринимается яркость? По логике вещей, когда у вас есть две светодиодные лампы по 100 люмен каждая, в результате должна получиться двойная яркость. На самом деле человеческий глаз логарифмически чувствителен к изменению интенсивности, а это означает, что удвоение интенсивности будет восприниматься как небольшое изменение.
Восприятие интенсивности света следует степенному закону Стивенса с показателем степени, который зависит от площади вашего поля зрения, занятой светом. Для пятна 5 градусов показатель степени составляет около 0,33, а для точечного источника - около 0,5. Это означает, что для 5-градусного пятна источник должен увеличиться в 8 раз, чтобы казаться вдвое ярче, а точечный источник должен увеличиться в 4 раза, чтобы казаться вдвое ярче.
Давайте начнем с простого SMD-светодиода мощностью 1 Вт, подобного тому, который можно приобрести у Adafruit. Этот рассчитан на 90 люмен и поставляется с алюминиевой печатной платой в качестве радиатора. Вот краткий обзор некоторых параметров светодиода.
В таблице данных есть довольно важная информация, начиная с прямого тока (непрерывного) и пикового прямого тока. Значения составляют 350 мА и 500 мА соответственно и не должны превышаться.
Используются еще две важные части информации, представленные в виде графиков. Во-первых, это график прямого тока и напряжения, который показывает, что напряжения около 1,8 В достаточно для прямого смещения светодиода. После этого ток омически возрастает и при напряжении около 3 В, как сообщается, потребляет около 200 мА. Вторая кривая представляет собой относительную зависимость LI от прямого тока, которая показывает, что ток регулирует количество светового потока (прямая линия, протянувшаяся до отметки «4»).
Учитывая, что светодиод следует закону Ома, ток должен быть прямо пропорционален напряжению, и, следовательно, мы можем изменять напряжение для управления яркостью. Ну, есть только одна небольшая загвоздка в том, что кривая прямого тока настолько крутая, что небольшое увеличение напряжения будет иметь большее изменение тока. Яркость будет другой, если вы подключите плоскую круглую круглую батарейку, а не две щелочные батарейки. Оба имеют разность потенциалов 3 В, но величина тока, подаваемого каждым из них, различна, и, следовательно, яркость различна. Вместо того, чтобы контролировать напряжение, лучше контролировать ток, проходящий через светодиод напрямую.
Простой подход
Проще всего добавить потенциометр последовательно со светодиодом. Простой! По сути, когда вы меняете сопротивление, срабатывает закон Ома и вуаля! Переменное сопротивление равно переменному току равно переменной яркости.
Вот симуляция светодиода с переменным сопротивлением от 100 Ом до 1 кОм. Единственная проблема заключается в том, что при изменении сопротивления светодиода или колебаниях напряжения результат может быть разрушительным. По сути, это управление без обратной связи, и нет никакой обратной связи от схемы к пользователю, кроме изменения яркости.
Конечно, существует также проблема эффективности, поскольку потенциометр также будет рассеивать мощность.
Текущий контроль
Следующим самым простым является создание цепи постоянного тока. Существует несколько способов создания простого источника постоянного тока, и я настоятельно рекомендую прочитать книгу «Искусство электроники» для подробного объяснения того же самого. Неудивительно, что на эту тему есть статья в Википедии.
Вы можете использовать классический регулятор напряжения LM317 для обеспечения небольшого постоянного тока. Это не очень эффективно, так как на регулировочном резисторе при больших токах рассеивается много тепла.
Лучшим методом является использование схемы с обратной связью, которая обеспечивает аналоговую обратную связь для подавления чрезмерных токов и компенсации колебаний нагрузки. Показанная схема представляет собой простой ограничитель тока и рекомендуется к использованию, поскольку обеспечивает более высокий КПД, чем другие транзисторные схемы.
Он работает для ограничения тока через R_sense таким образом, чтобы падение на нем не превышало 0,6 В. Если это произойдет, Q2 включится, а Q1 будет выключен, что ограничивает ток через R_load, который в нашем случае будет быть светодиодом. Регулируя R_sense с помощью закона Ома, мы можем настроить максимальный ток для нашего светодиода.
Я лично предпочитаю приведенную выше схему с заменой Q1 на полевой МОП-транзистор, однако в случаях, когда мы хотим управлять яркостью в цифровом виде, гораздо лучше подходит следующий метод.
Цифровой метод
Следующая схема включает использование набора импульсов для включения и выключения тока через светодиод. Это все равно, что щелкнуть выключателем питания достаточно быстро, чтобы казалось, что свет тускнеет. Широко известная как ШИМ или широтно-импульсная модуляция, серия импульсов с переменными рабочими циклами или временем включения и выключения может использоваться для этой задачи.
В рамках этой темы необходимо обсудить две части. Первый - это источник переключения, который может быть простым генератором или микроконтроллером. Во-вторых, это сам переключатель, который будет движущей силой этой конструкции. Давайте кратко рассмотрим оба варианта.
Источник ШИМ
Для генерации импульсов хорошим выбором будет скромный 555. На схеме показана простая схема ШИМ с T1 в качестве переключающего элемента.
Для генерации импульсов хорошим выбором будет скромный 555. Схема ниже показывает простую схему ШИМ с T1 в качестве переключающего элемента.
На данный момент у нас есть несколько вариантов и вопросов, на которые нужно ответить.
1. Какова правильная частота ШИМ?
2. Как узнать количество подаваемого тока и
3. Как все это влияет на яркость?
Частота ШИМ влияет на воспринимаемое мерцание. Простой пример: при записи цифрового видео, если вы используете NTSC в условиях освещения с частотой 60 Гц, ваша камера уловит много мерцания, и переключение на PAL очень поможет. Для PAL это 50 Гц, так что попробуйте прямо сейчас с вашей веб-камерой и посмотрите на эффект.
Идея состоит в том, что чем выше частота переключения, тем лучше, но вы не можете выбрать произвольно высокую частоту. Помните, что у всех светодиодов есть время включения, которое требуется для того, чтобы они загорелись и начали светиться. Если вы переключитесь слишком быстро, светодиод просто не загорится. Другим следствием является то, что частота влияет на эффективность переключающего элемента, и мы коснемся этого чуть позже. Сейчас нам нужно определить наилучшую частоту для нашего светодиода. Прокрутите назад и проверьте последнюю запись во фрагменте листа данных.
Там указано 1 кГц, что рекомендует производитель, и в большинстве случаев эта информация будет указана в самой спецификации. Если нет, то можно использовать все, что выше 500 Гц. Перейдите по этой ссылке, чтобы найти приложение для затемнения светодиодов.
Поскольку этот метод позволяет осуществлять цифровое управление током, следовательно, яркостью, следующим шагом будет определение способа управления яркостью. Помните, что LI прямо пропорционален току, но воспринимаемая яркость является логарифмической. Нам нужно преобразовать входной сигнал линейного шага в логарифмическое изменение тока.
При использовании микроконтроллеров или даже ПЛИС ответ очень прост - таблицы поиска! Имейте список рабочих циклов ШИМ, которые соответствуют последовательности воспринимаемых значений яркости. Здесь я должен упомянуть отличный пример, когда разработчик использует FPGA для создания LUT журнала для создания линейного PLI на основе пользовательских входов. Ту же таблицу поиска можно использовать с Arduino, и я настоятельно рекомендую вам попробовать.
Личное примечание: Когда светодиоды впервые появились, одна из проблем, с которыми мы столкнулись, заключалась в том, что светодиодные драйверы, поставляемые с лампами, не работали. Сначала я разработал небольшую схему для ограничения тока вместе с термистором для отключения светодиода в случае перегрева переключающего элемента. В конце концов, начали появляться специальные решения, которые мы рассмотрим в следующих разделах.
Давайте переключимся: MOSFET против BJT
Второй пункт в меню - это собственно элемент переключения. Вы можете использовать BJT, FET или MOSFET в зависимости от вашего бюджета и настроения. BJT - более простые существа и требуют очень мало дополнительных компонентов. 2N2222 может безопасно работать с током 800 мА, что хорошо для многих приложений.
MOSFETS, с другой стороны, более требовательны к компонентам и требуют немного осторожности при развертывании. Взамен они предлагают гораздо меньшее сопротивление во включенном состоянии порядка миллиомов и более высокий КПД. Давайте посмотрим на оба.
Драйвер светодиодов BJT
Вот простейшая схема драйвера светодиодов BJT. Он состоит из транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Транзистор включается, когда входной переключатель замкнут, что позволяет току течь от светодиода к клемме заземления. Сопротивление рассчитывается как
r0=(Va+Vce) / Ic, где Va - раннее напряжение.
Это значение непостоянно и зависит от рабочей точки транзистора, а в условиях насыщения составляет порядка нескольких Ом. Рассеиваемая мощность незначительна для нескольких миллиампер, но быстро становится проблемой для больших токов.
Я отсылаю вас к видеосообщению [Dave Jones] из EEVBlog, где он использует BD136 и 555 для изменения яркости светодиодов на части оборудования. Это работает для нагрузок с более низкой мощностью, однако, если вы хотите управлять большими светодиодами, ожидайте добавления довольно здоровенных радиаторов.
МОП-транзисторы - лучшие друзья светодиодов
МОП-транзистор имеет очень низкое сопротивление в открытом состоянии порядка нескольких миллиом, что означает, что в таком состоянии он будет рассеивать очень небольшое количество тепла в соответствии с P=I2 R.
Поскольку эти устройства управляются напряжением и имеют очень высокое входное сопротивление, мы можем безопасно соединить их вместе. К сожалению, они также подвержены ложным включениям, поэтому для приложений переключения схемы должны быть тщательно спроектированы. Более подробное объяснение доступно здесь для заинтересованных, однако для этого письма мы продолжим с общим случаем.
Дизайн лампы
Недавно я купил две светодиодные панели без бренда в местном хозяйственном магазине. Продавец сказал мне, что я должен подключить их к источнику 12 В, и они будут работать. Когда я соединил их вместе и подключил к настольному источнику питания, я обнаружил, что при 12 вольтах они могут потреблять до 2,7 ампер! Яркость пугает вблизи и мне нужно контролировать их яркость.
Следующим шагом является определение наиболее подходящего полевого МОП-транзистора. Учитывая выбросы при переключении, я хотел бы выбрать устройство с напряжением 20 В или даже 30 В с напряжением сток-исток, чтобы быть в безопасности. Что касается тока, если я намереваюсь передать около 5 ампер пикового тока, Res(ON) 0,1 Ом будет означать 2,5 Вт! В таком случае стоимость моего радиатора сильно повлияет на конечный продукт. Вместо этого я хотел бы что-то с частью сопротивления во включенном состоянии, например, 0,01 Ом или меньше, особенно для устройств SMD.
Далее я намерен переключить MOSFET либо на 555, либо на Arduino. Это соответствует 5 В Vgs, поэтому предпочтительнее использовать полевые МОП-транзисторы логического уровня; хотя я буду управлять светодиодами с питанием 12 вольт, поэтому я мог бы использовать транзистор или специальный драйвер MOSFET. Без него эффективное сопротивление было бы выше, но тем не менее попробовать стоит.
Я также испытываю желание взглянуть на PH2520U и ныне устаревший MTP3055VL, который представляет собой полевой МОП-транзистор логического уровня. MTP3055VL имеет относительно высокое сопротивление в открытом состоянии и может включаться при напряжении 5,0 В за счет 0,18 Ом и большой рассеиваемой мощности.
IRF530, IRF540, IRFZ44N и AO3400A - хороший выбор, так как у меня есть пара из них на складе. Используя IRFZ44N, я сделал простой драйвер светодиодов и напрямую использовал Arduino Uno. Помните, что контакты Arduino работают до 5 В, и я использовал пример затухания, который генерирует ШИМ из коробки. Частота ШИМ-сигнала составляет 490 Гц, что вполне прилично.
Результат - эффективное затемнение панели. Однако, присмотревшись к форме сигнала, мы видим, что выходной сигнал имеет значительное время нарастания с одной светодиодной панелью.
Это происходит из-за емкостных паразитных помех, а также из-за слабого тока и может быть устранено добавлением каскада транзисторного драйвера. В этом отчете о заявке TI (PDF) довольно хорошо описаны схемы драйвера затвора со ссылкой на неинвертирующий биполярный драйвер тотемного столба, который был подробно изучен [Joost Yervante Damad]. Поскольку наша частота переключения находится в нижнем диапазоне, эти потери на переключение незначительны. Если бы мы переключились в диапазоне кГц или в диапазоне МГц, эти паразиты быстро привели бы к смерти нашего прототипа.
В моем случае я не использовал каскад возбуждения, но затем модифицировал код для рабочего цикла 75% и измерил потребляемый ток с различным значением ШИМ. Оказывается, он потребляет немного меньше 1 А пикового тока. МОП-транзистор не нагревался до такой степени, чтобы для него требовался радиатор, поэтому схема пригодна и для этой светодиодной панели. Я могу приступить к изготовлению платы для моей лампочки, однако есть еще один вариант, на который я хотел бы взглянуть.
LED Драйверы
Выделенные микросхемы драйверов светодиодов позволяют эффективно управлять светодиодами, не задумываясь обо всех параметрах. Хорошим примером является TPS92512, который позволяет управлять светодиодами высокой яркости с помощью ШИМ с внутренним управлением. Текущее управление реализовано внутри, а внешние сигналы, включая ШИМ, а также аналоговые сигналы, могут использоваться для линейного управления яркостью. Нет необходимости в поисковых таблицах.
Я подключил тестовую плату с той же светодиодной панелью, чтобы яркость регулировалась с помощью вывода IADJ. Для изменения напряжения от 0,8 до 1,8 вольт на нужном выводе использовалась простая предустановка. На выходе чистое и эффективное переменное напряжение, которое фильтруется конденсатором выходного каскада.
Частота ШИМ составляет около 580 кГц при зондировании между катушкой индуктивности. Я не увидел каких-либо колебаний на выходных контактах светодиода, что означает, что каскад фильтра выполняет свою работу эффективно. Я создал самодельную версию печатной платы в Autodesk Eagle (GitHub), которую вы можете загрузить, чтобы сделать свою собственную.
Там есть немного фиолетового OSHPark, и я надеюсь припаять его самостоятельно. Глядя на размер булавок, это должно быть забавным упражнением. Дайте мне знать, если сделаете его сами.