Изменение яркости светодиодов. Шим диммер для светодиодного освещения

Наверное, многие кто делал регулировку яркости свечения светодиодов посредством ШИМ, замечали, что при линейном увеличении коэффициента заполнения, яркость светодиода вначале растет быстро, а затем почти не изменяется, вплоть до максимального значения. А связано это явление с тем что, интенсивность зрительного ощущения имеет нелинейную зависимость от интенсивности излучения источника. Это утверждение справедливо не только для зрительного восприятия, но и для ряда других ощущений (слух, обоняние и т.д.).

На основе экспериментов Э. Вебера, Г. Фехнер сформулировал психофизиологический закон (закон Вебера – Фехнера), согласно которому интенсивность ощущения пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя: S=k×ln(R), где R – интенсивность раздражителя, S – интенсивность ощущения, k – константа зависящая от единиц измерения.

Позже С. Стивенс произвел модификацию закона Вебера – Фехнера, считая, что зависимость носит характер общей степенной функции с различными показателями степени для каждого вида ощущений (закон Стивенса ): S=k×R n , где n – показатель степени, зависящий от вида ощущений. Для зрительного ощущения яркости, степенной показатель имеет значение n=0,33; при условии адаптированного к темноте наблюдателя и размере раздражителя в 5 градусов.

В общем, я построил графики этих функций в программе Mathcad, где вместо интенсивности раздражителя (R) подставил значения коэффициента заполнения ШИМ сигнала, от 0 до 255 (8-ми битный ШИМ). Константу k подобрал так, чтобы при максимальном световом потоке (коэффициент заполнения равен 255) значение интенсивности ощущения (S) равнялось числу 100, просто для удобства.


Из обоих графиков при этом можно увидеть, что при линейном увеличении коэффициента заполнения, а соответственно и светового потока от светодиода, интенсивность ощущения вначале растет быстро, а затем темп роста замедляется, отсюда и получается такое неравномерное увеличение яркости светодиода.

Чтобы получить линейное увеличение яркости, необходимо проделать обратную процедуру, вычислить значения переменной R (коэффициент заполнения ШИМ) при линейном увеличении переменной S (интенсивность ощущения). При расчете задаем 256 значений для S. В программе Mathcad я разбил ранее заданный диапазон значений S (0-100) на 256, лишь для того чтобы не менять коэффициент k, и вычислил соответствующие значения R. В результате получил две таблицы, логарифмическую и степенную, с коэффициентами заполнения для ШИМ.

Для наглядной демонстрации законов в действии, спаял схему на макетной плате, куда установил 3 светодиода белого свечения мощностью 1 Вт каждый. За основу взял проект , то есть такие же стабилизаторы тока и 3-х канальный программный ШИМ, в данном случае реализованный на микроконтроллере PIC16F628A, ток через светодиоды установил на уровне 0,3 А. Программа простая, циклическая, постепенное увеличение, а затем уменьшение коэффициента заполнения ШИМ. Для светодиода HL1 коэффициент заполнения меняется линейно, для НL2 коэффициент берется из заранее рассчитанной логарифмической таблицы, для HL3 соответственно из степенной таблицы. Нажатия на кнопку SB1 приводят к поочередной смене линейного коэффициента заполнения между двумя значениями 255 и 128, причем значению 128 из логарифмической таблицы соответствует коэффициент 16, из степенной 31. Этот режим я сделал для того чтобы сравнить визуальное изменение яркости для разных законов, то есть яркость светодиодов должна в 2 раза увеличиваться и уменьшаться.


Также можно подключить обычные светодиоды без стабилизаторов тока, как показано на схеме ниже.


На видеоролике можно пронаблюдать результат применения различных законов, слева применяется линейный ШИМ, в середине логарифмический, справа степенной.

Как видно, по зрительному восприятию, наиболее правильное изменение яркости соответствует логарифмическому и степенному ШИМ. Линейный ШИМ, как и следовало ожидать приводит к неравномерному изменению яркости. Казалось бы, при уменьшении коэффициента заполнения ШИМ с 255 до 128, яркость должна упасть также в 2 раза, но на самом деле такого не происходит, яркость уменьшается незначительно. Как по мне, то лучше всего для восприятия подходит логарифмический ШИМ, правда там возникает небольшая проблема, минимальный коэффициент заполнения ШИМ при расчетах получается равным единице, нулевой коэффициент не получить, но это можно исправить, заменив в готовой таблице несколько первых значений с 1 на 0.

Простейшая схема регулятора яркости светодиодов, представленная в этой статье, с успехом может быть применена в тюнинге автомобилей, ну и просто для повышения комфорта в машине в ночное время, например для освещения панели приборов, бардачков и так далее. Чтобы собрать это изделие, не нужно технических знаний, достаточно быть просто внимательным и аккуратным.
Напряжение 12 вольт считается полностью безопасным для людей. Если в работе использовать светодиодную ленту, то можно считать, что и от пожара вы не пострадаете, так как лента практически не греется и не может загореться от перегрева. Но аккуратность в работе нужна, что бы ни допустить короткого замыкания в смонтированном устройстве и как следствие пожара, а значит сохранить своё имущество.
Транзистор Т1, в зависимости от марки, может регулировать яркость светодиодов общей мощностью до 100 ватт, при условии, что он будет установлен на радиатор охлаждения соответствующей площади.
Работу транзистора Т1 можно сравнить с работой обыкновенного краника для воды, а потенциометра R1 – с его рукояткой. Чем больше откручиваешь – тем больше течёт воды. Так и здесь. Чем больше откручиваешь потенциометр – тем больше течёт ток. Закручиваешь – меньше течёт и меньше светят светодиоды.

Схема регулятора

Для этой схемы нам понадобятся не многочисленные детали.
Транзистор Т1. Можно применить КТ819 с любой буквой. КТ729. 2N5490. 2N6129. 2N6288. 2SD1761. BD293. BD663. BD705. BD709. BD953. Эти транзисторы нужно выбирать в зависимости от того, какую мощность светодиодов вы планируете регулировать. В зависимости от мощности транзистора находится и его цена.
Потенциометр R1 может быть любого типа сопротивлением от трёх до двадцати килом. Потенциометр сопротивлением три килоома лишь немного снизит яркость светодиодов. Десять килоом - убавит почти до нуля. Двадцать – будет регулировать со средины шкалы. Выбирайте, что вам подходит больше.
Если вы будете использовать светодиодную ленту, то вам не придётся заморачиваться с расчётом гасящего сопротивления (на схеме R2 и R3) по формулам, потому что эти сопротивления уже вмонтированы в ленту при изготовлении и всё, что нужно, это подключить её к напряжению 12 вольт. Только нужно купить ленту именно на напряжение 12 вольт. Если подключаете ленту, то сопротивления R2 и R3 исключить.
Выпускают так же светодиодные сборки, рассчитанные на питание 12 вольт, и светодиодные лампочки для автомобилей. Во всех этих устройствах при изготовлении встраивают гасящие резисторы или драйверы питания и их напрямую подключают к бортовой сети машины. Если вы в электронике делаете только первые шаги, то лучше воспользоваться именно такими устройствами.
Итак, с компонентами схемы мы определились, пора приступать к сборке.

Прикручиваем на болтик транзистор к радиатору охлаждения через теплопроводящую изолирующую прокладку (чтобы не было электрического контакта радиатора с бортовой сетью автомобиля, во избежание короткого замыкания).

Нарезаем провод на куски нужной длинны.

Зачищаем от изоляции и лудим оловом.

Зачищаем контакты светодиодной ленты.

Припаиваем провода к ленте.

Защищаем оголённые контакты при помощи клеевого пистолета.

Припаиваем провода к транзистору и изолируем из термоусадочным кембриком.

Припаиваем провода к потенциометру и изолируем их термоусадочным кембриком.

При переделке приборных панелей возникает потребность в регулировке яркости установленных плат. Особенно это нужно, если долго находишься за рулем в темное время суток. Все таки светодиоды светят сочнее и ярче, чем обычные лампы, да и без регулятора работа выглядит не законченной.

Вопрос решается покупкой готового диммера для регулировке светодиодных лент или простым переменным резистором, установленным в разрыв сети. Это не наш метод. Регулятор должен быть на ШИМе (широтно-импульсный модулятор).

ШИМ-регулировка заключается в периодическом включении и выключении тока через светодиод на короткие промежутки времени. Чтобы избежать эффекта мерцания, воспринимаемого человеческим зрением, частота этого цикла должна быть не менее 200Гц.

Одним из вариантов регулировки яркости светодиодов является простое устройство на базе популярного таймера 555, который осуществляет эту операцию с помощью ШИМ-сигнала. Основной компонент схемы – таймер 555, который формирует ШИМ-сигнал, встроенный генератор меняет скважность импульсов с частотой 200Гц.

Переменный резистор с помощью двух импульсных диодов осуществляет регулировку яркости. Не маловажный элемент схемы - ключевой полевой транзистор, работающий по схеме с общим истоком. Схема диммера способна осуществлять регулировку яркости в диапазоне от 5% до 95%.

Теория пройдена. Переходим к практике.

Было поставлено два условия:
1. Схема должны быть собрана на SMD компонентах
2. Минимальные размеры.

Сразу возникают трудности в подборе компонентов. В моем случает основное пришлось покупать в Мекке радиолюбителей - магазин «Чип и Дип» и ждать две недели доставкой, мать его, Почтой России. Остальное искать по местным магазинам.

Это самое сложное, т.к. их всего пара штук. Скажу сразу получилось не с первого раза, пришлось поломать голову с полевым транзистором и несколько раз переделывать/перерисовать/перепаивать.

За основу взята классическая схема:

В схему внесены изменения:
1. Емкости заменены на 0,01мкф и 0,1мкФ
2. Заменен транзистор на IRF7413. Держит 30В 13А. Шикарно!

Первый и второй вариант.

Версия 1 и версия 2.

Как видно во второй версии еще уменьшил общие размеры и заменил полевик, емкость.

Сравнение. Для наглядности размеров.

С учетом всех ошибок переделал схему и еще немного уменьшим общие замеры.

Победа!

Максимум яркости

С микросхемой NE555 (аналог КР1006) знаком каждый радиолюбитель. Её универсальность позволяет конструировать самые разнообразные самоделки: от простого одновибратора импульсов с двумя элементами в обвязке до многокомпонентного модулятора. В данной статье будет рассмотрена схема включения таймера в режиме генератора прямоугольных импульсов с широтно-импульсной регулировкой.

Схема и принцип её работы

С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышла на арену в роли регулятора яркости (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах. Устройства на её основе не требуют глубоких знаний электроники, собираются быстро и работают надёжно.

Известно, что управлять яркостью светодиода можно двумя способами: аналоговым и импульсным. Первый способ предполагает изменение амплитудного значения постоянного тока через светодиод. Такой способ имеет один существенный недостаток - низкий КПД. Второй способ подразумевает изменение ширины импульсов (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза. Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Она способна работать от 4,5 до 18 В, что свидетельствует о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и целой светодиодной лентой. Диапазон регулировки яркости колеблется от 5 до 95%. Устройство представляет собой доработанную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от ёмкости C1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц

Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U пит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3U пит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -U пит. Достигнув отметки 1/3U пит транзистор таймера закроется и C1 вновь начнет набирать ёмкость. В дальнейшем процесс повторяется циклически, формируя на выводе 3 прямоугольные импульсы.

Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) времени импульса на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, который включен по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно включенных мощных светодиодов включается в разрыв цепи стока VT1.

В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Но при этом транзистору может потребоваться теплоотвод.

Блокирующий конденсатор C2 исключает влияние помех, которые могут возникать по цепи питания в моменты переключения таймера. Величина его ёмкости может быть любой в пределах 0,01-0,1 мкФ.

Плата и детали сборки регулятора яркости

Односторонняя печатная плата имеет размер 22х24 мм. Как видно из рисунка на ней нет ничего лишнего, что могло бы вызвать вопросы.

После сборки схема ШИМ-регулятора яркости не требует наладки, а печатная плата легка в изготовке своими руками. В плате, кроме подстроечного резистора, используются SMD элементы.

• DA1 – ИМС NE555;
• VT1 – полевой транзистор IRF7413;
• VD1,VD2 – 1N4007;
• R1 – 50 кОм, подстроечный;
• R2, R3 – 1 кОм;
• C1 – 0,1 мкФ;
• C2 – 0,01 мкФ.

Транзистор VT1 должен подбираться в зависимости от мощности нагрузки. Например, для изменения яркости одноваттного светодиода достаточно будет биполярного транзистора с максимально допустимым током коллектора 500 мА.

Управление яркостью светодиодной ленты должно осуществляться от источника напряжения +12 В и совпадать с её напряжением питания. В идеале регулятор должен питаться от стабилизированного блока питания, специально предназначенного для ленты.

Нагрузка в виде отдельных мощных светодиодов запитывается иначе. В этом случае источником питания диммера служит стабилизатор тока (его еще называют драйвер для светодиода). Его номинальный выходной ток должен соответствовать току последовательно включенных светодиодов.

Читайте так же

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.

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.