Светодиоды больше и больше входят в нашу повседневную жизнь. Мы меняем лампы накаливания в квартире или доме, галогенные в машине на светодиодные.
Для того чтобы регулировать яркость лампочки Эддисона обычно применяют диммер — эта такая штука с помощью которой можно ограничивать переменный ток, тем самым меняя яркость свечения на нужную вам, зачем же платить больше, да еще и чувствовать дискомфорт из-за чрезмерно яркого света? Регулятор мощности вообще может использоваться для многих потребителей (паяльник, болгарка, пылесос, дрель…) от переменного напряжения сети, построены они, как правило, на основе симистора.
Светодиоды питаются от постоянного и стабилизированного тока, так что тут применить стандартный диммер не удастся.
Если просто изменять напряжение, подаваемое на него то яркость будет изменяться очень резко, для них важен ток, но вместо регулятора тока мы сделаем нечто другое, а именно ШИМ (Широко Импульсный Модулятор), он будет на некоторое определенное время отключать источник питания от светодиода, яркость уменьшится, но мигание замечать мы не будем, так как частота такая, что глаз человека этого не заметит. Тут не используетсямикроконтроллеры, ведь их наличие может стать препятствием к сборке устройства, нужно иметь программатор, определенное программное обеспечение… Поэтому в этой простой схеме используется только простые и общедоступные радиокомпоненты.
Вот такую штуку возможно использовать для любых инерционных нагрузок, то есть тех, которые могут запасать энергию, ведь, если, к примеру, отключить DC моторчик от источника питания то вращаться он перестанет никак не моментально.
Схему, как я считаю, условно можно разделить на две части, а именно это генератор, выполненный на мега-популярном таймере NE555 (аналог — КР1006ВИ1) и мощный открывающийся/закрывающийся транзистор, с помощью которого подается питание для нагрузки (здесь 555 работает в режиме астабильного мультивибратора).
У нас используется мощный биполярный транзистор NPNструктуры (я взял TIP122), но возможно заменить его полевым (MOSFET)транзистором.
Частота импульсного генератора, период, длительность импульса при этом выставляется двумя резисторами (R3,R2) и конденсаторами (C1, C2), а изменять ее мы сможем резистором с регулировкой сопротивления.
Компоненты-схемы
Существует куча программ для расчета аналогового таймера 555, можете поэкспериментировать с номиналами компонентов, которые и влияют на частоту генератора — это все легко просчитается с помощью многих программ, таких как эта.
Номиналы можно немного менять, все будет работать и так. Импульсные диоды 4148 без проблем заменяются отечественными КД222. Конденсаторы 0,1 мкФ и 0,01 мкФ дисковые керамические.
Переменным резистором устанавливаем частоту, для хорошей и плавной регулировки его максимальное сопротивление 50 кОм.
Все собрано на дискретных элементах, плата имеет размеры 50-25 мм.
Как работает схема?
Устройство работает как переключатель между двумя режимами: ток подается на нагрузку и ток не подается на нагрузку. Переключение происходит настолько быстро что наши глаза не видят этого мигания.
Так вот, это устройство регулирует мощность путем изменения интервала между временем, когда питание подается и когда оно отключено. Думаю, вы поняли суть ШИМа.
Вот так вот это выглядит на экране осциллографа.
- Первая картинка отображает слабое свечение, потому что во время периода T длинна импульса t1 занимает только 20% (это так называемый коэффициент заполнения), а все остальные 80% у нас наблюдается логический 0 (отсутствует напряжение).
Вторая картинка показывает нам сигнал, который называется меандр, тогда у нас t1=0.5*T, то бишь скважность и Коэф. заполнения равны 50%.
В третьем случае мы имеем D=90%. Светодиод светит почти на полную яркость.
Представим что T=1 секунде, тогда в первом случае
- в течении 0,2с будет идти ток на светодиод, а 0,8с нет
- 0,5с подается ток 0,5с нет
- 0,9с есть ток, 0,1 нету
Кстати, сделав три платки ШИМ регуляторов по схеме и подключив их к одной RGB ленте появляется возможность выставлять нужную гамму свечения. Каждая из плат управляет своими светодиодами (красными, зелеными и синими) и смешивая их в определенной последовательности вы добиваетесь нужного свечения.
- Фото
- Какие же потери энергии у этого устройства?
Во-первых, это жалкие несколько миллиампер, которые потребляют импульсный генератор на микросхеме, а далее идет силовой транзистор, на котором рассеивается мощность равная примерно P=0.6V*Iпотребления нагрузки.
Базовым резистором можно пренебречь.
В целом потере на ШИМе минимальны ведь система регулирования по ширине импульса очень эффективна, так как в пустую тратится очень мало энергии (и, следовательно, выделяется мало тепла).
Итог
В итоге мы получили прекрасный и простой ШИМ. Им оказалось очень удобно настраивать для себя приятную силу свечения. Такое устройство всегда пригодится в быту.
Скачать плату можно тут
Диммирование светодиодов в общем и в деталях
Диммирование (от англ. dimming — затемнение) — это процесс управления интенсивностью освещения, уходящий своими корнями в XIX век. Впервые диммирование было применено в театрах, когда по замыслу режиссёра сцена должна была затемняться и освещаться в зависимости от происходящего на ней действия.
Для этого используемые в то время прожекторы с дуговыми лампами прикрывались затемняющими шторками. Чем больше эти шторки перекрывали световой поток, тем больше они диммировали освещение.
Сегодняшние диммеры далеко ушли от своего незамысловатого предшественника, однако в целом их назначение осталось прежним.
Регулировка яркости широко используется в современных системах. Так посредством диммирования можно создать мягкое камерное освещение в гостиной или спальне, быстро сменить атмосферу в кафе или ресторане, усилить визуальные «магниты» в ритейле.
Преимущества диммирования
- Возможность создания и быстрой смены сценариев освещения, недостижимых при помощи стандартных двухпозиционных выключателей.
- Регулировка яркости позволяет эксплуатировать осветительные приборы в щадящем режиме, что продлевает их срок службы.
- Диммирование приводит к уменьшению энергопотребления и тепловыделения.
Наиболее широкие возможности по управлению световой средой открываются при сочетании диммирования с разделением световых приборов на группы.
Такой подход позволяет управлять общим светом и акцентами независимо друг от друга, реализуя самые интересные и сложные сценарии.
Преимущества диммирования светодиодов
Регулировка яркости светодиодов позволяет в полной мере раскрыть весь их потенциал. Особенности работы LED делают этот осветительный элемент идеальным кандидатом на диммирование.
- Яркость светодиода можно менять в очень широком диапазоне, в отличие от люминесцентных ламп.
- Изменение яркости никак не сказывается на цветовой температуре и цветопередаче, в отличие от ламп накаливания.
- Снижение яркости ведёт к увеличению срока службы, а не наоборот, как в случае с галогенными лампами.
- Регулировка яркости светодиодных светильников происходит без задержек, что позволяет использовать их даже в самых динамичных осветительных сценариях.
Особенности диммирования светодиодов
Простейший диммер, регулирующий затемнение ламп накаливания, делает это за счёт «срезания» синусоиды переменного тока.
Но в отличие от ламп накаливания, LED светильник имеет более сложное устройство и работает под управлением электронной схемы — драйвера. Таким образом, корректность работы осветительного оборудования напрямую зависит от управляющего им драйвера.
В то же время, правильно подобрав драйвер, можно задиммировать абсолютно любые светильники, независимо от их мощности и типа.
Стандарты и протоколы диммирования
TRIAC
Симисторный диммер, работающий по отсечке фазы. Его главные преимущества — это низкая цена и возможность встраивания в схему без лишних коммутаций (как выключатель). Для корректного диммирования светодиодов важно проверить совместимость оборудования (связки диммер-драйвер). Это позволит избежать нежелательного гудения и мерцания при работе.
1-10V
Стандарт, завоевавший широкую популярность в эпоху повсеместного использования люминесцентных ламп. Его суть заключается в отправке по отдельной паре проводов сигнала от 1 до 10V.
То есть диммер в данном случае реализован в виде обыкновенного потенциометра. Главным преимуществом такого подхода является полная нечувствительность к нагрузке.
Среди недостатков — невозможность управления источником света из нескольких мест и слабая поддержка со стороны производителей светодиодов.
DALI
Цифровой протокол, поддерживаемый большинством производителей профессионального осветительного оборудования.
Его главное преимущество — это цифровая шина, объединяющая все диммируемые светодиодные светильники в единую систему.
Включение, выключение и регулировка яркости осуществляются за счёт сигнальных команд, а не за счёт размыкания питающей цепи. Такой подход позволяет в любое время переназначать, какой выключатель за какой светильник отвечает.
Но самым главным преимуществом цифрового протокола DALI является возможность программирования сцен с их последующим сохранением в памяти. Это полностью переворачивает представление об управлении освещением. Обычная клавиша выключателя может теперь не просто управлять светильником, а задавать режим работы для целой группы.
Из недостатков протокола DALI можно выделить разве что высокую стоимость и необходимость предварительной настройки системы управления.
Push DIM
Интересный в реализации тип диммирования, позволяющий использовать для подключения всего два провода. В роли управляющих элементов служат кнопки с нормально разомкнутыми контактами. Пока вы держите кнопку, сигнал есть, отпустили — сигнала нет. Осветительные приборы будут воспринимать такие нажатия следующим образом:
- короткое: включение/выключение;
- длинное: регулировка яркости.
Метод прост в реализации, не требует дополнительных настроек и может быть реализован почти с любой электрофурнитурой. Но есть и недостатки: малая распространённость драйверов с таким стандартом и ограниченное количество светильников, подключаемых к одной кнопке.
Выбор драйвера
Выбор драйвера и типа диммирования определяется множеством факторов. Самыми гибкими в этом плане являются встраиваемые светильники, так как их драйвер вынесен за пределы корпуса.
В случае же с накладными и подвесными светильниками приходится учитывать большое количество нюансов. Однако нерешаемых задач не существует.
Заручившись поддержкой квалифицированных специалистов, можно задиммировать даже те светильники, которые изначально не были на это рассчитаны.
Принцип регулировки яркости светодиодов
Если упустить подробности и объяснения, то схема регулировки яркости светодиодов предстанет в самом простом виде. Такое управление отлично от метода ШИМ, который мы рассмотрим чуть позже.Итак, элементарный регулятор будет включать в себя всего четыре элемента:
- блок питания;
- стабилизатор;
- переменный резистор;
- непосредственно лампочка.
И резистор, и стабилизатор можно купить в любом радиомагазине. Подключаются они точно так, как показано на схеме. Отличия могут заключаться в индивидуальных параметрах каждого элемента и в способе соединения стабилизатора и резистора (проводами или пайкой напрямую).
Собрав своими руками такую схему за несколько минут, вы сможете убедиться, что меняя сопротивление, то есть, вращая ручку резистора, вы будете осуществлять регулировку яркости лампы.
В показательном примере аккумулятор берут на 12 Вольт, резистор на 1 кОм, а стабилизатор используют на самой распространенной микросхеме Lm317. Схема хороша тем, что помогает нам сделать первые шаги в радиоэлектронике. Это аналоговый способ управления яркость. Однако он не подойдет для приборов, требующих более тонкой регулировки.
Необходимость в регуляторах яркости
Теперь разберем вопрос немного подробнее, узнаем, зачем нужна регулировка яркости, и как можно по-другому управлять яркостью светодиодов.
- Самый известный случай, когда необходим регулятор яркости для нескольких светодиодов, связан с освещением жилого помещения. Мы привыкли управлять яркостью света: делать его мягче в вечернее время, включать на всю мощность во время работы, подсвечивать отдельные предметы и участки комнаты.
- Регулировать яркость необходимо и в более сложных приборах, таких как мониторы телевизоров и ноутбуков. Без нее не обходятся автомобильные фары и карманные фонарики.
- Регулировка яркости позволяет экономить нам электроэнергию, если речь идет о мощных потребителях.
- Зная правила регулировки, можно создать автоматическое или дистанционное управление светом, что очень удобно.
В некоторых приборах просто уменьшать значение тока, увеличивая сопротивление, нельзя, поскольку это может привести к изменению белого цвета на зеленоватый. К тому же увеличение сопротивления приводит к нежелательному повышенному выделению тепла.
Шим управление
Выходом из, казалось бы, сложной ситуации стало Шим управление (широтно-импульсная модуляция). Ток на светодиод подается импульсами. Причем значение его либо ноль, либо номинальное – самое оптимальное для свечения.
Получается, что светодиод периодически то загорается, то гаснет. Чем больше время свечении, тем ярче, как нам кажется, светит лампа. Чем меньше время свечения, тем лампочка светит тусклее. В этом и состоит принцип ШИМ.
Управлять яркими светодиодами и светодиодными лентами можно непосредственно с помощью мощных МОП-транзисторов или, как их еще называют, MOSFET. Если же требуется управлять одной-двумя маломощными светодиодными лампочками, то в роли ключей используют обычные биполярные транзисторы или подсоединяют светодиоды напрямую к выходам микросхемы.
Вращая ручку реостата R2, мы будет регулировать яркость свечения светодиодов. Здесь представлены светодиодные ленты (3 шт.), которые присоединили к одному источнику питания.
Зная теорию, можно собрать схему ШИМ устройства самостоятельно, не прибегая к готовым стабилизаторам и диммерам. Например, такую, как предлагается на просторах интернета.
NE555 – это и есть генератор импульсов, в котором все временные характеристики стабильны. IRFZ44N – тот самый мощный транзистор, способный управлять нагрузкой высокой мощности. Конденсаторы задают частоту импульсов, а к клеммам «выход» подсоединятся нагрузка.
Поскольку светодиод обладает малой инертностью, то есть, очень быстро загорается и гаснет, то метод ШИМ регулирования является оптимальным для него.
Готовые к использованию регуляторы яркости
Регулятор, который продается в готовом виде для светодиодных ламп, называются диммером. Частота импульсов, создавая им, достаточно велика для того, чтобы мы не чувствовали мерцания. Благодаря ШИМ контролеру осуществляется плавная регулировка, позволяющая добиваться максимальной яркости свечения или угасания лампы.
Встраивая такой диммер в стену, можно пользоваться им, как обычным выключателем. Для исключительно удобства регулятор яркости светодиодов может управляться радио пультом.
Способность ламп, созданных на основе светодиодов, менять свою яркость открывает большие возможности для проведения световых шоу, создания красивой уличной подсветки. Да и обычным карманным фонариком становится значительно удобнее пользоваться, если есть возможность регулировать интенсивность его свечения.
Яркость светодиода – параметры и способы регулировки световыми потоками
О регулировке силы света традиционной лампочки накаливания знают многие. Но яркостью светодиода тоже можно управлять. Для этого в схему электроприбора устанавливаются широко-импульсные модуляторы или аналоговые регуляторы. Принято говорить, что такие светильники имеют опцию диммирования.
Многим потребителям до недавнего времени не приходилось задумываться над вопросом, от чего зависит яркость свечения, так как единственным параметром обычной лампочки накаливания считалась лишь потребляемая мощность, указываемая в ваттах.
Новые технологии дали миру совершенно иные представления о светотехнике, существенно расширили характеристики ламп, прописываемые в их маркировке, на упаковке или потребительском ярлыке, размещенном непосредственно на изделии. Интенсивность освещения, в сегодняшнем представлении, зависит не только от напряжения в электросети, но и от других, не всем понятных обозначений.
К тому же, регулятор яркости светодиодов позволяет управлять опцией, выставляя уровень освещенности по своему усмотрению, что важно в вопросе экономии электроэнергии.
Параметры яркости свечения светодиодов
Потребителей нередко интересует, в чем измеряется яркость светодиодной лампы и по каким цифрам и обозначениям на ее упаковочной коробке определяется данный параметр. На ней указываются:
- канделы (cd);
- люмены (лм или lm);
- две цифры потребляемой мощности (W и Watt);
- угол освещения;
- цветовая температура.
Именно по этим характеристикам можно узнать яркость светодиодов в лампе. В канделах обозначают силу света, или поверхностную плотность потока. За единицу здесь принято считать его интенсивность в процессе горения одной свечи.
Параметр мощности света в люменах принимает во внимание и силу, и длину воспринимаемой человеческим глазом волны, и угол освещения.
От последнего, не менее важного показателя зависит площадь зоны освещения, схема расположения и количество требуемых ламп.
Если сравнивать изделия с углами освещения в 60 и 30 градусов, то при одинаковых характеристиках можно наверняка сказать, что первое окажется раза в 3-4 эффективнее второго.
Яркость светодиода зависит от вида установленной в лампу линзы. Матовая даст более мягкий и рассеянный свет. При этом, угол освещения наверняка будет шире, а световые потоки слабее.
И, наконец, классификация по мощности. На самом деле, для уровня яркости светодиодных лампочек этот показатель определяющим не является. Его указывают для облегчения расчетов потребления электроэнергии и для понимания данного параметра большинством среднестатистических потребителей.
Две цифры, к примеру измерение в ваттах 5,5W и 35 Watt, означают, что потребляемая мощность лампы составляет 5,5Вт, а светит она как обычная 35Вт-ная лампочка накаливания.
Все достаточно просто, но следует понимать, что данное соотношение является довольно-таки приблизительным, и светодиоды повышенной яркости исключением не являются.
Светодиодные электроприборы относятся к энергосберегающим изделиям, а управление яркостью излучения помогает потребителю еще больше экономить на электричестве в бытовых и промышленных условиях.
Цветовая температура влияет на цветовой диапазон светодиода. Он может смещаться:
- по мере возрастного старения элементов;
- при изменении показателей подводимого тока.
Холодное сине-зеленое свечение присуще источникам света, имеющим высокую цветотемпературу. А теплый свет красно-желтых оттенков – низкую. Часто на этикетках указывают длину световой волны в доминирующих значениях. Ее смещение происходит в зависимости от цветовой температуры.
Способы регулировки яркости
Управлять световыми потоками в светодиодных электроприборах без изменения цвета свечения позволяет присутствие в схеме:
- широтно-импульсной модуляции – обозначение ШИМ;
- аналогового регулирования.
Оба варианта управления яркостью светодиода поддерживают заданный уровень проходящего через элементы тока.
Увеличить или снизить яркость светодиодов при наличии в схеме ШИМ диммера, можно с более высоким КПД и незаметным для глаз человека мерцанием светового потока.
Дело в том, что для аналогового регулятора яркости свойственно изменение амплитуд подходящего к светодиодам тока, а для ШИМ имеется в виду плавная регулировка ширины, или длительности импульсов.
Работа вышеприведенной схемы допускается в диапазоне 4,5-18 вольт. При этом повысить яркость свечения можно с 5 до 95%. Подобный вариант применяется как для отдельных мощных светодиодов, так и для ленточных электросветовых приборов.
ШИМ регуляторы управляют процессом мгновенного включения-отключения тока. Причем делается это с высокой частотой – более 200Гц. Максимальная же цифра измеряется несколькими килогерцами. Такое мерцание человеческие глаза не воспринимают.
Аналоговое увеличение или снижение светового потока предполагает поддержание тока, подходящего к светодиоду на постоянном уровне, или изменение подаваемого на импульсный драйвер напряжения.
Оба варианта приемлемы, но нередко результатом диммирования становится изменение цвета свечения диодов в лампе.
Если это в определенных эксплуатационных условиях является недопустимым, то от аналогового регулирования яркости света лучше отказаться.
На рынке встречаются многорежимные диммеры, способные осуществлять регулировку яркости светодиодов в ШИМ и аналоговом варианте управления мощностью свечения.
Зачем нужно регулировать яркость
Любая сравнительная таблица наглядно показывает взаимосвязь потребления электроэнергии от яркости свечения лампы. Диммер дает реальную возможность экономии, так как позволяет снизить интенсивность светового потока, к примеру в комнате, где в данный момент семья смотрит телевизор, или увеличить освещение во время приема гостей за столом.
Многие малыши боятся темноты, а престарелые люди плохо ориентируются при выключенном свете. И в том, и в другом случае пригодится опция диммирования. Но она должна присутствовать не в общем выключателе, а в схеме светодиодного электроприбора.
В период вечернего отдыха свет можно сделать мягче. Тогда как при необходимости выполнения какой-либо работы – увеличить освещение до требуемого максимума. Следует отметить, что некоторые модели светильников комплектуются дистанционным или автоматическим управлением, учитывающим временные промежутки или факт передвижения объекта в поле охвата специально устанавливаемого датчика.
Узнать цену
Регулировка яркости светодиодов с помощью диммеров
Светодиоды – уникальный пример развития технологий, стремительно вошедших в быт обычных потребителей. Имея огромное количество преимуществ в сравнении с более старыми аналогами, они обладают также и определенной конструктивной особенностью – с помощью специальных устройств вручную и автоматически в приборах со светодиодами можно регулировать яркость получаемого света.
Это свойство сразу же по достоинству оценило большинство потребителей, приспособив светодиоды для освещения в самых разнообразных местах.
Адаптация света под текущие нужды значительно повысила популярность и без того известных приборов.
В данной статье мы рассмотрим особенности строения светодиодов, которые дают возможность регулировки яркости, а также разберемся со специальными устройствами, с помощью которых реализуется такая функция.
Светодиоды представляют собой маленькие полупроводники, которые изготавливаются из кремния. При пропускании определенного количества тока через такой полупроводник кремний начинает излучать свет.
Механизм изменения яркости заключается в подаче различной силы тока на полупроводник и регулировке его с помощью специального оборудования.
В определенном диапазоне при меньшей силе тока и светодиоды начинают светить слабее, при максимально возможном токе – светят в полную силу.
Регулятор яркости светодиодов
Однако достичь такого эффекта с помощью обычного подключения светодиодов к сети невозможно. Для этого нужно использовать специальное полупроводниковое устройство с регулятором, при изменении положения которого происходят контролируемые перепады силы тока, подаваемого на светодиоды. Регулятор яркости светодиодов называется диммер.
Классический диммер для светодиодных лент
В зависимости от его строения выделяется достаточно широкий ассортимент, позволяющий подобрать устройство для своих нужд.
Строение такого устройства очень простое – оно содержит специальные стабилизаторы и несколько активных диммерных схем типа LM317, которые работают как полупроводники. Эти самые схемы и определяют основную классификацию диммеров.
- По типу схемы, которая регулирует мощность светодиодов, диммеры делятся на:
- источники тока с управлением – они могут стабилизировать выходящий ток, изменяя его в четко заданном диапазоне при минимальном падении напряжения;
- устройства с импульсной регулировкой яркости – выходящий импульс состоит из сигналов различного уровня, которые чередуются с определенной частотой. Изменение длительности импульсов приводит к изменению выходящего тока, что в свою очередь влияет на яркость светодиодов.
- По виду регулятора:
- механические (регулировка силы выходящего тока выполняется вручную с помощью кнопок, рычажков и прочих элементов);
- электронные (выдают на выходе участки синусоиды, которые отсекаются электронным ключом, сенсорные и бесконтактные);
- дистанционные (регулировка яркости подключенных светодиодов выполняется человеком с помощью инфракрасных или радиочастотных сигналов с пульта);
- существуют варианты, где комбинируются различные регуляторы для достижения максимальной эргономичности.
- По способу установки в систему:
- модульные;
- встраиваемые;
- накладные.
Помимо вышеперечисленной классификации диммеры также делятся по типу подключения к светодиодам:
- проходные (светодиодная лента включается и выключается из разных мест);
- непроходные (управление светодиодной лентой светом возможно только из одного места).
Схема подключения диммера к светодиодной ленте
На фото ниже представлена схема подключения своими руками классического диммера к обычным светодиодам. В готовых решениях, которые можно купить в любом светотехническом магазине, необходимо просто подключить провода к имеющимся разъемам.
Подключение поворотного диммера к светодиодам
Стоит учесть, что вышеуказанная схема справедлива для светодиодной ленты, которая может светить только одним цветом (например, белым).
Дело в том, что для каждого цвета необходим свой набор диммирующих схем, соответственно, и само устройство должно поддерживать подключение и регулировку многоцветных лент (они же RGB).
Смысл работы такого светового диммера абсолютно идентичен обычному, разница только в расширенном наборе регуляторов.
Подключение светодиодной RGB-ленты
Дополнительно в такую систему подключается RGB-контроллер, без которого регулирование различных цветов будет невозможно.
Таким образом, с помощью диммера можно своими руками либо автоматически создать любой цвет и его оттенок, что широко используется в декоративных целях.
При включении всех трех цветов на максимально доступной мощности получается белый свет, который может использоваться в качестве дополнительного или даже основного освещения.
Преимущества и недостатки различных видов
Использование диммеров значительно расширяет области применения светодиодного освещения, обеспечивая:
- защиту осветительных приборов от резких перепадов напряжения;
- плавное включение и выключение света, красивые переходы цветов и оттенков;
- поддержку программирования диммировки для определенных декоративных целей;
- доступность, простоту эксплуатации и установки – с ней справится даже начинающий радиолюбитель.
К сожалению, без недостатков не обошлось:
- Мощность электрического тока, который рассеивается на светодиодах, приводит к их перегреву, что в свою очередь сказывается на деградации яркости кристаллов, уменьшается их долговечность.
- Дешевые диммеры, которые регулируют выходную мощность с помощью разности длины импульсов, могут приводить к мерцанию светодиодов, что сильно сказывается на усталости глаз человека – такое освещение категорически не рекомендуется применять в жилых помещениях, это может навредить здоровью.
- Диммеры могут создавать помехи при использовании радиоприборов рядом с ними, что делает невозможным прослушивание радио и запись музыки. Чтобы снизить такой эффект, нужно использовать помехоустойчивое оборудование либо отказаться от диммеров.
- Длительное использование этих элементов с лампами накаливания при подаче малого тока чревато переводом избытка тока в тепло, что может привести к перегоранию лампочки.
- С диммерами несовместимы трансформаторы, большинство люминесцентных ламп.
- Для каждого источника света нужно применять узкоспециализированную модель, универсальных диммеров не существует.
Заключение
Несмотря на то, что светодиоды являются самыми современными световыми приборами на текущий момент, их возможности можно значительно расширить, применяя диммеры для управления яркостью светодиодной ленты. Разнообразие методов регулировки выходного тока позволяет подобрать устройство под свои нужды, организовав красивое и удобное освещение.
Диммеры, управляемые с помощью компьютера, нашли широкое применение в системах «умный дом» – плавное включение и выключение света при проходе через помещения, создание эффекта присутствия, дополнение интерьера сложными переходами и переливами цветов и их оттенков.
Современные производители уже начали изготовление диммеров, которые подходят для различных источников света, при этом в них отсутствуют вышеописанные недостатки – они не создают помех, эффективно рассеивают тепло, не вызывают мерцания светодиодов и лампочек, уменьшив вредное воздействие на глаза.
Методы регулировки яркости для импульсных драйверов светодиодов
Экспоненциальный рост светодиодного освещения сопровождается расширением выбора микросхем для управления светодиодами. Импульсные драйверы светодиодов давно заменили линейные источники тока, которые потребляют значительно больше энергии.
Все приложения — от карманного фонаря до табло стадионов — требуют точного управления стабилизированным током. Во многих случаях необходимо обеспечить изменение выходной интенсивности свечения светодиодов в режиме реального времени. Эту функцию обычно называют регулировкой яркости светодиодов.
В данной статье представлены базовые понятия из теории светодиодов, а также некоторые методы регулировки яркости для импульсных драйверов светодиодов.
Яркость и цветовая температура светодиодов
Яркость светодиодов
Понятие яркости видимого света, излучаемого светодиодом, объясняется достаточно просто. Численное значение воспринимаемой яркости светодиода можно легко измерить в единицах плотности светового потока, которые называют канделами (кд). Суммарная выходная мощность светодиода измеряется в люменах (лм).
Важно также понять, что средний прямой ток светодиода определяет яркость светодиода. На рисунке 1 показана зависимость прямого тока светодиода от светового выхода.
Из рисунка видно, что эта зависимость является линейной в широком диапазоне применяемых значений прямого тока IF. Заметим, что при увеличении IF нелинейность возрастает.
Когда ток начинает выходить за линейную область, происходит уменьшение эффективности (лм/Вт).
| Рис. 1. Зависимость светового выхода от тока светодиода |
Работа светодиода в режиме, превышающем диапазон линейного изменения светового выхода, приводит к преобразованию выходной мощности светодиода в тепло. Оно, в свою очередь, создает нагрузку на драйвер светодиода и усложняет систему отвода тепла.
Цветовая температура светодиода
Цветовая температура является показателем, который описывает цвет свечения светодиода и указывается в технической документации на светодиод. Цветовая температура светодиода определяется в пределах диапазона значений и меняется в зависимости от прямого тока, температуры перехода и срока службы светодиода.
Более низкая цветовая температура соответствует красно-желтым цветам (которые называют теплыми), а более высокая цветовая температура — сине-зеленым цветам (холодным).
Во многие цветных светодиодах специфицируется преобладающая длина волны, а не цветовая температура, и, кроме того, допускается сдвиг длины волны.
Методы регулировки яркости светодиодов
Существуют два популярных метода регулировки яркости светодиодов в схемах импульсных драйверов: ШИМ-регулировка и аналоговая регулировка. Оба метода контролируют усредненный во времени ток через светодиод или цепочку светодиодов, но между ними есть и различия, которые становятся ясными при обсуждении преимуществ и недостатков двух типов схем регулировки.
На рисунке 2 показан импульсный драйвер светодиодов, включенный в понижающей топологии. Напряжение VIN всегда должно быть выше напряжения на светодиоде плюс напряжение на RSNS. Ток в катушке индуктивности является током светодиода.
Стабилизация тока происходит с помощью контроля напряжения на выводе CS.
Когда напряжение на выводе CS начинает падать ниже установленного напряжения, рабочий цикл импульсов тока, протекающего через катушку L1, светодиод и резистор RSNS, растет, тем самым увеличивая средний ток светодиода.
| Рис. 2. Топология понижающего стабилизатора |
Аналоговая регулировка яркости
Аналоговая регулировка яркости светодиодов заключается в подстройке тока светодиода. Проще говоря, это регулировка уровня постоянного тока светодиода. Аналоговая регулировка может выполняться с помощью подстройки резистора контроля тока RSNS или путем управления аналоговым напряжением на выводе DIM микросхемы. На рисунке 2 показаны эти два способа аналоговой регулировки.
Аналоговая регулировка с помощью подстройки RSNS
Из рисунка 2 видно, что изменение сопротивления RSNS приводит к соответствующему изменению тока светодиода при фиксированном опорном напряжении на выводе CS. Если бы можно было найти потенциометр, способный управлять высоким током светодиода, а также работать в диапазоне до 1 Ом, то это был бы практически осуществимый метод регулировки яркости светодиодов.
Аналоговая регулировка с помощью управления постоянным напряжением на выводе CS
Более сложным методом регулировки является прямое управление током светодиода посредством подачи напряжения на вывод CS.
Источник напряжения обычно включают в цепь обратной связи, ток в которой формируется усилителем (см. рис. 2). Ток светодиода можно контролировать с помощью коэффициента усиления усилителя.
С помощью цепи обратной связи можно реализовать токовую и тепловую защиту светодиода.
Недостатком аналоговой регулировки является то, что цветовая температура излучаемого света может меняться в зависимости от тока светодиода.
В случае, когда цвет свечения светодиода является критически важным параметром или у конкретного светодиода наблюдаются заметные изменения цветовой температуры при изменении тока светодиода, регулировка яркости путем подстройки тока светодиода становится недопустимой.
ШИМ-регулировка
При методе ШИМ-регулировки ток через светодиод пропускается на короткие периоды времени.
Частота этих циклов запуска-перезапуска тока должна превышать частоту, детектируемую человеческим глазом, чтобы предотвратить эффект мерцания. Обычно используют частоту около 200 Гц или выше.
Яркость светодиода в этом случае пропорциональна рабочему циклу сигнала регулировки в соответствии с формулой:
IDIM-LED = DDIM ILED,
где IDIM-LED — средний ток светодиода, DDIM — рабочий цикл сигнала регулировки, ILED — номинальный ток светодиода, который устанавливается резистором RSNS, как показано на рисунке 3.
| Рис. 3. 2-проводная ШИМ-регулировка |
Управление драйвером светодиода с помощью ШИМ-сигнала
Многие современные драйверы светодиодов оборудованы специальным выводом ШИМ-регулировки (DIM), на который можно подавать ШИМ-сигнал с широким диапазоном частот и амплитуд, что обеспечивает простое сопряжение с внешней логикой.
Сигнал, подаваемый на вывод DIM, отключает лишь выход схемы, оставляя внутренние блоки в работающем состоянии, чтобы предотвратить задержку запуска микросхемы.
Можно также использовать вывод разрешения выхода и другие логические функции микросхемы.
2-проводная ШИМ-регулировка
2-проводная ШИМ-регулировка — это популярный метод, используемый в системах внутреннего освещения автомобиля. Поскольку VIN модулируется на уровне ниже 70% от VIN-NOMINAL, вывод VINS (см. рис.
3) детектирует изменение напряжения и преобразует входной ШИМ-сигнал в соответствующий ШИМ-сигнал на выходе.
Недостатком такого метода является то, что источник питания преобразователя должен содержать схему, формирующую ШИМ-сигнал на своем DC-выходе.
Быстрое ШИМ-регулирование с помощью шунтирующего устройства
Из-за задержки выключения и запуска выхода преобразователя имеются ограничения на частоту ШИМ-сигнала регулировки и диапазон рабочих циклов. Чтобы уменьшить эту задержку, параллельно светодиоду или цепочке светодиодов можно включить внешний шунтирующий компонент, такой как FET, чтобы обеспечить путь для выходного тока преобразователя, минуя светодиод, как показано на рисунке 4.
| Рис. 4. Быстрая ШИМ-регулировка яркости |
|
Ток в катушке индуктивности не исчезает во время отключения светодиода, что исключает длительную задержку его нарастания и спада. Время задержки определяется теперь минимальным временем нарастания и спада сигнала шунтирующего прибора.
На рисунке 4 показана микросхема LM3406 с шунтирующим FET, а на рисунке 5 сравнивается задержка включения/выключения светодиода при использовании вывода DIM и шунтирующего FET.
Эти измерения были выполнены при выходной емкости 10 нФ с использованием в качестве шунтирующего FET транзистора Si3458.
| Рис. 5. Сравнение задержки включения при использовании вывода DIM и шунтирующего FET |
При шунтировании тока светодиода в случае использования импульсных преобразователей следует соблюдать меры предосторожности из-за возможных выбросов выходного тока при включении FET.
Семейство драйверов светодиодов LM340x представляет собой преобразователи с контролируемым временем включения, в которых не наблюдается выбросов тока.
Номинал выходной емкости на светодиоде должен быть малым, чтобы обеспечить максимальную скорость переключения.
Недостатком схемы быстрой регулировки яркости являются потери эффективности. Когда шунтирующий прибор включен, рассеиваемая мощность, равная VSHUNT DEVICE ILED, теряется в виде тепла. Использование FET с низким значением Rds(on) позволяет минимизировать потери эффективности.
LM3409 обеспечивает множество функций регулировки яркости
Микросхема LM3409 от National Semiconductor представляет собой уникальный драйвер светодиодов, который имеет необходимую функциональность для простой аналоговой и ШИМ-регулировки яркости. Этот прибор обеспечивает четыре возможных способа реализации регулировки яркости светодиода.
1. Аналоговая регулировка с помощью прямого управления вывода IADJ от источника напряжения в диапазоне 0…1,24 В.
2. Аналоговая регулировка с помощью потенциометра, включенного между выводом IADJ и землей.
3. ШИМ-регулировка с помощью вывода разрешения.
4. ШИМ-регулировка с помощью внешних шунтирующих FET.
Схема включения микросхемы LM3409 для аналоговой регулировки с использованием потенциометра показана на рисунке 6. Внутренний 5-мкА источник тока создает падение напряжения на RADJ, которое, с свою очередь, позволяет изменять порог внутренней чувствительности по току. С той же целью вывод IADJ может напрямую управляться от источника постоянного напряжения.
| Рис. 6. Схема включения LM3409 при аналоговой регулировке яркости |
На рисунке 7 показан график зависимости тока светодиода от сопротивления потенциометра, включенного между выводом IADJ и GND. Плоский участок кривой при значении тока в 1 А соответствует максимальному номинальному току светодиода, который устанавливается резистором контроля тока RSNS, показанным на рисунке 4.
| Рис. 7. Зависимость тока светодиода от сопротивления потенциометра |
На рисунке 8 показан ток светодиода как функция напряжения на выводе IADJ. Заметим, что на этом графике виден тот же максимальный ток светодиода, установленный резистором RSNS.
| Рис. 8. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ |
Оба варианта аналоговой регулировки просты в реализации и обеспечивают весьма линейные уровни снижения яркости светодиода вплоть до 10% от максимального значения.
Заключение
Существует множество методов регулировки яркости светодиодов, управляемых от импульсных стабилизаторов. Два основных вида регулировки — аналоговая и ШИМ-регулировка — имеют свои преимущества и недостатки.
ШИМ-регулировка существенно снижает отклонение цвета свечения светодиода при изменении яркости за счет применения дополнительной логики для формирования ШИМ-сигнала.
Аналоговая регулировка может быть более простой в реализации, но она не подходит для приложений, в которых требуется постоянная цветовая температура светодиодов.
Литература
1. Rich Rosen. Dimming Techniques for Switched Mode LED Drivers//Power Designer, №126.