Один ШИМ та три світлодіоди: розробка джерела живлення для світлодіодної лінійки. Зміна яскравості світлодіодів або контролер своїми руками Регулювання яскравості світлодіода

Найпростіша схема регулятора яскравості світлодіодів, представлена в цій статті, з успіхом може бути застосована в тюнінгу автомобілів, та й просто для підвищення комфорту в машині в нічний час, наприклад, для освітлення панелі приладів, бардачків і так далі. Щоб зібрати цей виріб, не потрібно технічних знань, достатньо бути просто уважним та акуратним.
Напруга 12 вольт вважається повністю безпечною для людей. Якщо в роботі використовувати світлодіодну стрічку, то можна вважати, що і від пожежі ви не постраждаєте, оскільки стрічка практично не гріється і не може спалахнути від перегріву. Але акуратність у роботі потрібна, що б не допустити короткого замикання в змонтованому пристрої і як наслідок пожежі, а значить зберегти своє майно.
Транзистор Т1, залежно від марки, може регулювати яскравість світлодіодів загальною потужністю до 100 Вт, за умови, що його буде встановлено на радіатор охолодження відповідної площі.
Роботу транзистора Т1 можна порівняти з роботою звичайного краніка для води, а потенціометра R1 – з його ручкою. Чим більше відкручуєш - тим більше тече води. Так і тут. Чим більше відкручуєш потенціометр – тим більше тече струм. Закручуєш – менше тече і менше світять світлодіоди.

Схема регулятора

Для цієї схеми нам знадобляться не численні деталі.
Транзистор Т1. Можна застосувати КТ819 із будь-якою літерою. КТ729. 2N5490. 2N6129. 2N6288. 2SD1761. BD293. BD663. BD705. BD709. BD953. Ці транзистори потрібно вибирати в залежності від того, яку потужність світлодіодів ви плануєте регулювати. Залежно від потужності транзистора знаходиться його ціна.
Потенціометр R1 може бути будь-якого типу опором від трьох до двадцяти кілом. Потенціометр опором три кілооми лише трохи знизить яскравість світлодіодів. Десять кілоом - зменшить майже до нуля. Двадцять – регулюватиме із середини шкали. Вибирайте, що вам підходить більше.
Якщо ви будете використовувати світлодіодну стрічку, то вам не доведеться морочитися з розрахунком опору, що гасить (на схемі R2 і R3) за формулами, тому що ці опори вже вмонтовані в стрічку при виготовленні і все, що потрібно, це підключити її до напруги 12 вольт. Тільки потрібно купити стрічку саме на напругу 12 вольт. Якщо підключаєте стрічку, то опори R2 та R3 виключити.
Випускають також світлодіодні зборки, розраховані на живлення 12 вольт, і світлодіодні лампочки для автомобілів. У всіх цих пристроях при виготовленні вбудовують резистори або драйвери живлення, що гасять, і їх безпосередньо підключають до бортової мережі машини. Якщо ви в електроніці робите тільки перші кроки, краще скористатися саме такими пристроями.
Отже, з компонентами схеми ми визначилися, настав час приступати до складання.

Прикручуємо на болтик транзистор до радіатора охолодження через теплопровідну ізолюючу прокладку (щоб не було електричного контакту радіатора з бортовою мережею автомобіля, щоб уникнути короткого замикання).

Нарізаємо провід на шматки потрібної довжини.

Зачищаємо від ізоляції та лудим оловом.

Зачищаємо контакти світлодіодної стрічки.

Припаюємо дроти до стрічки.

Захищаємо оголені контакти за допомогою клейового пістолета.

Припаюємо дроти до транзистора і ізолюємо з термозбіжним кембриком.

Припаюємо дроти до потенціометра і ізолюємо їх термозбіжним кембриком.

У цій статті описано як зібрати простий, але ефективний регулятор яскравості світлодіодівзаснований на ШИМ регулюванні яскравості () світіння світлодіодів.

Світлодіоди (світловипромінюючі діоди) дуже чутливі компоненти. При перевищенні струму або напруги вище допустимого значення може призвести до виходу їх з ладу або значно скоротити термін служби.

Зазвичай струм обмежується за допомогою резистора послідовно підключеного до світлодіоду, або регулятором струму ланцюга (). Збільшення струму на світлодіоді збільшує його інтенсивність свічення, а зниження струму зменшує його. Один із способів регулювання яскравості світіння є використання змінного резистора () динамічної зміни яскравості.

Але це лише застосовно до одиничного світлодіоду, оскільки навіть в одній партії можуть бути діоди з різною силою світіння і це вплине на нерівномірність світіння групи світлодіодів.

Широтно-імпульсна модуляція.Набагато ефективніший метод регулювання яскравості світіння шляхом застосування (ШІМ). З ШІМ, групи світлодіодів забезпечуються рекомендованим струмом, і в той же час з'являється можливість проводити регулювання яскравості за рахунок подачі живлення з високою частотою. Зміна періоду викликає зміну яскравості.

Робочий цикл можна як співвідношення часу включення і вимкнення живлення надходить на світлодіод. Допустимо, якщо розглянути цикл в одну секунду і при цьому у вимкненому стані світлодіод буде 0,1 сек., А у включеному 0,9 сек., Виходить що світіння складе близько 90% від номінального значення.

Опис шим регулятора яскравості

Найпростіший спосіб для досягнення даного високочастотного перемикання - застосування мікросхеми, однією з найпоширеніших і універсальних мікросхем, коли-небудь створених. Схема ШИМ регулятора, показана нижче призначений для використання як димер для живлення світлодіодів (12 вольт) або регулятора швидкості обертання для двигуна постійного струму на 12 В.

У даній схемі, опір резисторів до світлодіодів необхідно підібрати, щоб забезпечити прямий струм 25 мА. В результаті загальний струм трьох лінійок світлодіодів становитиме 75мА. Транзистор має бути розрахований струм не менше 75 мА, але краще взяти із запасом.

Ця схема диммера здійснює регулювання від 5% до 95%, але використовуючи германієві діоди замість діапазон може бути розширений від 1% до 99% від номінального значення.

З мікросхемою NE555 (аналог КР1006) знайомий кожен радіоаматор. Її універсальність дозволяє конструювати найрізноманітніші саморобки: від простого одновібратора імпульсів із двома елементами в обв'язці до багатокомпонентного модулятора. У цій статті буде розглянуто схему включення таймера в режимі генератора прямокутних імпульсів з широтно-імпульсним регулюванням.

Схема та принцип її роботи

З розвитком потужних світлодіодів NE555 знову вийшла на арену в ролі регулятора яскравості (димеру), нагадавши про свої незаперечні переваги. Пристрої її основі не вимагають глибоких знань електроніки, збираються швидко і працюють надійно.

Відомо, що керувати яскравістю світлодіода можна двома способами: аналоговим та імпульсним. Перший спосіб передбачає зміну амплітудного значення постійного струму через світлодіод. Такий спосіб має один суттєвий недолік - низький ККД. Другий спосіб має на увазі зміну ширини імпульсів (шпаруватості) струму з частотою від 200 Гц до кількох кілогерц. На таких частотах мерехтіння світлодіодів непомітне для людського ока. Схема ШИМ-регулятора з потужним вихідним транзистором показано малюнку. Вона здатна працювати від 4,5 до 18, що свідчить про можливість управління яскравістю як одного потужного світлодіода, так і цілої світлодіодної стрічкою. Діапазон регулювання яскравості коливається від 5 до 95%. Пристрій є допрацьованою версією генератора прямокутних імпульсів. Частота цих імпульсів залежить від ємності C1 та опорів R1, R2 і визначається за формулою: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц

Принцип дії електронного регулятора яскравості ось у чому. У момент подачі напруги живлення починає заряджатися конденсатор ланцюга: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U пит. Як тільки напруга на ньому досягне рівня 2/3U, піт відкриється внутрішній транзистор таймера і почнеться процес розрядки. Розряд починається з верхньої обкладки C1 і далі ланцюга: R1 – VD2 –7 висновок ІМС – -U пит. Досягши позначки 1/3U, піт транзистор таймера закриється і C1 знову почне набирати ємність. Надалі процес повторюється циклічно, формуючи на виведенні 3 прямокутні імпульси.

Зміна опору підстроювального резистора призводить до зменшення (збільшення) часу імпульсу на виході таймера (висновок 3), і, як наслідок, зменшується (збільшується) середнє значення вихідного сигналу. Сформована послідовність імпульсів через струмообмежуючий резистор R3 надходить на затвор VT1, який включений за схемою із загальним джерелом. Навантаження у вигляді світлодіодної стрічки або послідовно включених потужних світлодіодів включається до розриву ланцюга стоку VT1.

У цьому випадку встановлено потужний MOSFET транзистор з максимальним струмом стоку 13А. Це дозволяє керувати світінням світлодіодної стрічки завдовжки кілька метрів. Але при цьому транзистору може знадобитися тепловідведення.

Блокуючий конденсатор C2 виключає вплив перешкод, які можуть виникати ланцюга живлення в моменти перемикання таймера. Розмір його ємності то, можливо будь-який не більше 0,01-0,1 мкФ.

Плата та деталі складання регулятора яскравості

Одностороння друкована плата має розмір 22х24 мм. Як видно з малюнку, на ній немає нічого зайвого, що могло б викликати питання.

Після складання схема ШИМ-регулятора яскравості не вимагає налагодження, а друкована плата легка у виготовленні своїми руками. У платі, крім підстроювального резистора, використовуються SMD елементи.

DA1 – ІМС NE555;
VT1 – польовий транзистор IRF7413;
VD1, VD2 - 1N4007;
R1 - 50 кОм, підстроювальний;
R2, R3 - 1 ком;
C1 - 0,1 мкФ;
C2 - 0,01 мкф.

Транзистор VT1 повинен підбиратись залежно від потужності навантаження. Наприклад, для зміни яскравості одноватного світлодіода достатньо буде біполярного транзистора з максимально допустимим струмом колектора 500 мА.

Управління яскравістю світлодіодної стрічки має здійснюватися від джерела напруги +12 і збігатися з її напругою живлення. В ідеалі регулятор повинен живитись від стабілізованого блоку живлення, спеціально призначеного для стрічки.

Навантаження як окремих потужних світлодіодів запитується інакше. В цьому випадку джерелом живлення диммера служить стабілізатор струму (його ще називають драйвер для світлодіода). Його номінальний вихідний струм повинен відповідати струму послідовно увімкнених світлодіодів.

Читайте також

ШИМ-регулятор яскравості на МК ATmega8, з батарейним живленням та індикацією заряду.

Стаття призначена для осіб, які мають деякі знання з радіоелектроніки, а саме:

що таке мікроконтролер і як його прошити,
що таке ШІМ-регулювання,
що таке світлодіодний драйвер.

Проект вигадувався для встановлення велосипедом. З чого все починалося? Ми з друзями частенько брали участь у нічних вело-покатушках, тому потрібна була фара велосипедом. Ну а звичайний ліхтарик ставити не хотілося ... потрібно було щось функціональніше. Наприклад, з регулюванням яскравості «маленька/середня/максимальна», а як живлення планувалося використовувати літій-іонний акумулятор, то потрібен був ще й індикатор рівня заряду. В інтернеті я бачив багато таких проектів, але вони чимось мене не влаштовували. Наприклад, мені зустрічалися проекти ШИМ-регуляторів яскравості, але вони або були відсутні індикатор рівня заряду, або індикатор рівня заряду був на 1 ... 3 світлодіодах, а мені не подобалася така маленька інформативність. Що ж, робити так робити, і я взявся за складання свого проекту. Отже, як індикатор заряду я беру 10 світлодіодів, а точніше, беру світлодіодний стовпчик, ось такий:

Цей світлодіодний «стовпчик» я замовив в інтернет-магазині (у нашому місті відсутні радіомагазини), тому він приїде лише за кілька тижнів. Замість нього тимчасово поставив 10 звичайних світлодіодів.

Як керуючий мікроконтролер я використовував ATmega8 (або ATmega328), так як у даного МК є АЦП, за допомогою якого я організував вимірювання рівня заряду акумулятора. Також у цього МК є достатня кількість висновків (адже ми хочемо підключити аж 10 світлодіодів). Даний мікроконтролер поширений у радіомагазинах, і коштує відносно дешево - близько 50 ... 100 рублів, в залежності від жадібності магазину і типу корпусу.

Щоб зрозуміти, як працює пристрій, подивимося на блок-схему:

У даній статті описується тільки те, що стосується ШИМ-регулятора (ліва частина блок-схеми), а драйвер світлодіода і сам світлодіод Ви вибираєте на свій смак, який Вам більше підходить. Мені підходить драйвер ZXSC400, тому його я розглядатиму як приклад.

ШИМ-регулятор повинен бути підключений до світлодіодного драйвера, який має функцію регулювання яскравості (DIM, PWM, тощо), наприклад, ZXSC400. Можна використовувати будь-який інший підходящий драйвер, головне щоб він підтримував ШИМ-регулювання яскравості, і живився від того ж акумулятора, яким живиться ШІМ-регулятор. Для тих, хто не знає, що таке світлодіодний драйвер – поясню: драйвер потрібен для того, щоб світлодіод світився однаково яскраво як при зарядженому акумуляторі, так і при акумуляторі, що сів. Іншими словами, драйвер світлодіода підтримує стабільний струм через світлодіод.

Типова схема увімкнення світлодіодного драйвера ZXSC400:

Живлення цієї схеми необхідно з'єднати з живленням нашого ШИМ-регулятора, а ШИМ-вихід з регулятора необхідно підключити до входу «STDN» драйвера ZXSC400. Висновок «STDN» служить для регулювання яскравості за допомогою ШІМ сигналу. Аналогічним способом можна підключити ШИМ-регулятор до багатьох інших світлодіодних драйверів, але це вже окрема тема.

Алгоритм роботи пристрою. При подачі живлення МК на 1 секунду відображає рівень заряду акумулятора (на світлодіодній шкалі з 10 світлодіодів), потім світлодіодна шкала гасне, МК переходить в режим енергозбереження і чекає команд управління. Все керування я зробив на одній кнопці, щоб на велосипеді тягнути менше проводів. При утримуванні кнопки більше 1 секунди, ШИМ-регулятор вмикається, на ШІМ-вихід подається сигнал із шпаруватістю 30% (1/3 яскравості світлодіода). При повторному утриманні кнопки більше 1 секунди ШИМ-регулятор вимикається, на ШІМ-вихід не подається сигнал (шпаровість 0%). При короткочасному натисканні на кнопку відбувається перемикання яскравості 30% - 60% - 100%, а також на 1 секунду відображається заряд акумулятора. Таким чином, одноразове натискання змінює яскравість світлодіода, а довге натискання включає/вимикає світлодіод. Для перевірки працездатності ШІМ-регулятора, я підключив до його виходу звичайний світлодіод, але ще раз повторюся – виключно з метою перевірки працездатності. Надалі я підключу ШИМ-регулятор до драйвера ZXSC400. Докладніше та наочно робота пристрою показується на відео (посилання наприкінці статті).

Також процес регулювання яскравості показує таку схему:

Що робити, якщо не влаштовують ці значення яскравості? Наприклад, хочеться, щоб було так: 1%, потім 5%, потім 100%. Я передбачив такий варіант. Тепер користувач може сам встановити ці три значення яскравості, які хочеться! Для цього я написав маленьку програму, яка на базі бажаних значень генерує файл для прошивки EEPROM. Прошивши в мікроконтролер цей файл, яскравості відповідно змінюються на бажані. Додаю скріншот вікна програми:

Якщо не прошивати файл EEPROM, то значення яскравості залишаться "за замовчуванням" - 30%, 60%, 100%. Правильно зібраний пристрій не потребує настроювання. За бажання можна лише налаштувати мінімальну, середню і максимальну яскравість на свій розсуд. Програма та інструкція із використання знаходяться наприкінці статті.

Вибір акумулятора, що використовується. Я використовував Li-ion акумулятор з огляду на його поширеність і дешевизну. Але в схемі я передбачив перемичку J1, за допомогою якої можна вибрати, що ми використовуємо як живлення.

Якщо перемичка J1 знаходиться в положенні "1", то використовується один Li-ion акумулятор. Якщо перемичка J1 знаходиться в положенні "2", то використовуються три звичайні батареї типу AAA/AA/C/D, з'єднані послідовно. Перемичка J1 необхідна для правильного відображення рівня заряду акумулятора, так як у Li-ion акумулятора робоча напруга знаходиться приблизно в діапазоні 3,3...4,2в, а у звичайних батарей робоча напруга приблизно дорівнює 3,0...4,5в. Таблиці відповідності напруги акумулятора зі показаннями індикатора я доклав унизу статті.

Індикаторні світлодіоди. Світлодіоди, які відображають рівень заряду акумулятора, можуть бути будь-якими. Підлаштувати їхню яскравість у невеликих межах можна за допомогою зміни номіналу струмообмежувального резистора R1. Для відображення рівня заряду використовується динамічна індикація, завдяки якій досягається економія енергії, оскільки одночасно світиться тільки один світлодіод. Про індикацію рівня заряду акумулятора також можна переглянути на відео (посилання наприкінці статті).

Мікроконтролер може бути як ATmega8, і ATmega328. Обидва мікроконтролери сумісні за розташуванням контактів, і відрізняються лише змістом «прошивки». Я використовував ATmega328, тому що цей МК був у мене в наявності. З метою зниження енергоспоживання мікроконтролер працює від внутрішнього RC-генератора на 1 МГц. Програма мікроконтролера написана серед 4.3.6.61 (або 4.3.9.65).

У схемі застосовано мікросхему-джерело опорної напруги TL431. З її допомогою досягається хороша точність вимірювання напруги акумулятора. Живлення на TL431 подається з виведення PC1 мікроконтролера через резистор R3. Подача напруги живлення на TL431 відбувається лише під час індикації рівня заряду. Після того, як світлодіоди індикації гаснуть, подача напруги припиняється, забезпечуючи економію енергії акумулятора. Мікросхему TL431 можна знайти в непридатних блоках живлення від комп'ютерів, зламаних зарядних пристроях від стільникових телефонів, імпульсних блоках живлення від ноутбуків і різної радіоелектронної техніки. Я застосував TL431 у корпусі SOIC-8 (smd варіант), але TL431 більше поширена у корпусі TO-92, тому я зробив кілька варіантів друкованих плат.

Про емуляцію у програмі " ". Проект у Proteus працює некоректно. Зважаючи на те, що модель ATmega8 не виходить зі сплячого режиму, а також з гальмами відображається динамічна індикація. Якщо після запуску проекту, одразу утримувати кнопку, щоб ШІМ-регулятор увімкнувся, то все працює. Але варто повторним утримуванням кнопки вимкнути ШИМ-регулятор, як МК зануриться в сон, і більше не прокинеться (до перезапуску проекту). Проект у Proteus не додаю. Хто хоче погратися – пишіть, надішлю проект у Proteus.

Основні технічні характеристики:

Напруга живлення, при якому гарантується працездатність: 2,8...5 вольт
Частота ШІМ сигналу: 244 Гц
Частота динамічної індикації шкали із 10 світлодіодів: 488 Гц (на 10 світлодіодів) або 48,8 Гц (на кожен світлодіод)
Кількість режимів яскравості, що перемикаються за циклом: 3 режими
Можливість зміни користувачем яскравості кожного режиму: Є

Нижче ви можете завантажити прошивки для МК ATmega8та ATmega328

Шутів Максим, м.Вельськ

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Мій блокнот
U1	МК AVR 8-біт	ATmega8-16PU	1	У блокнот
U2	ІС джерела опорної напруги	TL431ILP	1	У блокнот
	Резистори
R1, R2	Резистор постійний SMD 1206	330 Ом	2	У блокнот
R3	Резистор постійний SMD 1206	1 ком	1	У блокнот
R4	Резистор постійний SMD 1206	10 ком	1	У блокнот
R5	Резистор постійний SMD 1206	47 ком	1	У блокнот
	Резистор постійний SMD 1206

Світлодіоди використовуються практично у всіх техніках навколо нас. Щоправда іноді виникає необхідність регулювати їхню яскравість (наприклад, у ліхтариках, або моніторах). Найпростішим виходом у цій ситуації, здається, змінити кількість струму, що пропускається через світлодіод. Але це не так. Світлодіод – досить чутливий компонент. Постійна зміна кількості струму може суттєво скоротити термін його роботи, або взагалі зламати. Також треба враховувати, що не можна використовувати обмежувальний резистор, тому що в ньому накопичуватиметься зайва енергія. У разі використання батарейок це неприпустимо. Ще одна проблема при такому підході – колір світла змінюватиметься.

Є два варіанта:

Регулювання ШІМ
Аналогове

Ці методи контролюють струм, що проходить через світлодіод, але між ними є певні відмінності.
Аналогове регулювання змінює рівень струму, який відбувається через світлодіоди. А ШІМ регулює частоту подачі струму.

ШИМ-регулювання

Виходом із цієї ситуації може бути використання широтно-імпульсної модуляції (ШІМ). За такої системи світлодіоди отримують необхідний струм, а яскравість регулюється за допомогою подачі живлення з високою частотою. Тобто частота періоду подачі змінює яскравість світлодіодів.
Безперечний плюс ШІМ-системи - збереження продуктивності світлодіода. ККД складе близько 90%.

Види ШІМ-регулювання

Двопровідна. Часто використовується у системі освітлення машин. Джерело живлення перетворювача повинен мати схему, що формує сигнал ШІМ на DC-виході.
Шунтуючий пристрій. Щоб зробити період увімкнення/вимкнення перетворювача використовують шунтуючий компонент, який забезпечує шлях для вихідного струму крім світлодіода.

Параметри імпульсів при ШІМ

Частота проходження імпульсів не змінюється, тому жодних вимог щодо визначення яскравості світла до неї немає. В даному випадку змінюється тільки ширина або час позитивного імпульсу.

Частота імпульсів

Навіть з огляду на те, що особливих претензій до частоти немає, існують граничні показники. Вони визначаються чутливістю ока людини до миготіння. Наприклад, якщо в кіно миготіння кадрів повинні становити 24 кадри в секунду, щоб наше око сприймало його як одне рухоме зображення.
Щоб миготіння світла сприймалися як рівномірне світло, частота повинна становити щонайменше 200Гц. За верхніми показниками обмежень немає, але нижче не можна.

Як працює регулятор ШІМ

Для безпосереднього керування світлодіодами застосовується транзисторний ключовий каскад. Зазвичай їм використовують транзистори, здатні накопичувати великі обсяги потужності.
Це необхідно при використанні світлодіодних стрічок або потужних світлодіодів.
Для невеликої кількості чи невисокої потужності цілком достатньо використання біполярних транзисторів. Також можна підключати світлодіоди прямо до мікросхем.

Генератори ШІМ

В системі ШІМ як генератор, що задає, можуть використовувати мікроконтролер, або схема, що складається зі схем малого ступеня інтеграції.
Також можливе створення регулятора з мікросхем, призначених для імпульсних блоків живлення, або логічні мікросхеми К561, або інтегральний таймер NE565.
Умільці використовують із цією метою навіть операційний підсилювач. Для цього на ньому збирається генератор, який можна регулювати.
Одна з найбільш використовуваних схем заснована на таймері 555. По суті це звичайний генератор прямокутних імпульсів. Частота регулюється конденсатором С1. при виході у конденсатора має бути висока напруга (це одно зі з'єднанням із плюсовим джерелом живлення). А заряджається він тоді, коли на виході є низька напруга. Цей момент і дає одержання імпульсів різної ширини.
Ще однією популярною схемою є ШІМ на основі мікросхеми UC3843. у цьому випадку схема включення змінена у бік спрощення. Для того щоб керувати шириною імпульсу, використовується подача регулюючої напруги позитивної полярності. На виході у разі виходить потрібний імпульсний сигнал ШИМ.
Регулююча напруга діє вихід так: при зниженні широта збільшується.

Чому ШІМ?

Головна перевага цієї системи – легкість. Схеми використання дуже прості та легкі у реалізації.
Система ШІМ-регулювання дає дуже широкий діапазон регулювання яскравості. Якщо говорити про монітори, то можливе застосування CCFL-підсвічування, але в такому разі яскравість можна зменшити тільки вдвічі, оскільки CCFL-підсвічування дуже вимогливе до кількості струму та напруги.
Використовуючи ШІМ, можна утримувати струм на постійному рівні, а значить світлодіоди не постраждають і колірна температура не змінюватиметься.

Недоліки використання ШІМ

З часом мерехтіння зображення може бути досить помітним, особливо при низькій яскравості або русі очей.
При постійному яскравому освітленні (наприклад, світлі сонця) зображення може розпливатися.