Методы регулировки яркости для импульсных драйверов светодиодов

Введение

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.

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 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).

Цветовая температура 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 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.

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.

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

Аналоговая регулировка яркости

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.

Стоит ли использовать диммер для светодиодной ленты?

Однозначно – стоит. Установка такого устройства под силу даже непрофессионалу, но сам светорегулятор многократно расширяет функции и возможности led-ленты. Например, можно отказаться от большого количества светильников разной мощности, поскольку одна и та же лента будет светить с разной яркостью, заменяя и большую люстру, и маленький ночник.

Подобное освещение очень удобно в детской комнате – когда ребенок уснет, можно будет просто приглушить свет до минимума, не опасаясь ни за проводку, ни за то, что чадо проснется ночью в темноте и испугается.

Любителям домашних вечеринок однозначно придутся по душе световые эффекты, которые можно создать при помощи диммера с аудио-входом. И это лишь малая часть способов применения диммеров и светодиодных лент в обычных квартирах и домах.

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.

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.

Управление драйвером светодиода с помощью ШИМ-сигнала

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.

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.

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.

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. 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.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.

Цифровое управление

Стандартный порт I2C используется для предварительной установки значения тока I-LED и глубины ШИМ, с использованием программного обеспечения для программирования внутренних функций контроллера. Чтобы лучше показать постепенное изменение яркости, в качестве примера возьмем контроллер NCP5623.

Перед началом процесса ШИМ необходимо установить пиковое значение тока ILED путем посылки схеме соответствующего кода, указанного в спецификации микросхемы NCP5623.

Чтобы обеспечить плавное включение подсветки, необходимо программное обеспечение для управления всеми шагами, используемыми драйвером: в данном случае – 31 шаг. Для выполнения такой задачи в микроконтроллере можно реализовать простой цикл, но сигнал плавного включения может быть искажен из-за прерываний более высокого приоритета, связанных с выполнением задач в реальном масштабе времени.

Более эффективным решением является использование преимущества встроенной последовательности, реализованной в NCP5623, которая позволяет обойтись без обращения к микроконтроллеру, работающему в реальном масштабе времени: постепенное изменение яркости в сторону увеличения или уменьшения можно запустить при помощи простейшей программы, на исполнение которой не влияют высокоприоритетные прерывания.

Необходимо установить значения двух регистров:

• Значение и направление постепенного изменения яркости:

– UPWARD = %101x xxxx → последние биты [B4:B0] содержат максимальное значение тока ILED; – DWNWRD = %110x xxxx → последние биты [B5:B0] содержат минимальное значение тока ILED.

• Условия продолжительности и запуска:

GRAD = %111x xxxx → последние биты [B5:B0] содержат продолжительность выполнения шага.

Ток ILED будет плавно повышаться с 0 до 5,5 мА, общая продолжительность последовательности равна содержимому битов [B5:B0] регистра GRAD, умноженному на число шагов, установленных содержимым регистра UPWARD. Пример, описанный выше:

T=GRAD[B5:B0]•UPWARD[B5:B0] T=64•26=1664 мс

Кривая, показанная на рис. 3, иллюстрирует постепенное увеличение яркости; операция уменьшения яркости осуществляется соответствующим программированием регистра DWNWRD.

Рис. 3. Типовое автоматическое повышение яркости драйвером NCP5623 с шагом, равным 8 мс

Как мы видим, ток ILED повышается в соответствии с квазиэкспоненциальной характеристикой, достаточной для компенсации чувствительности человеческого глаза.

Изменение яркости в противоположном направлении осуществляется путем использования соответствующего кода первых трех бит регистра данных, остальная последовательность выполняется аналогично.

Встроенные регистры позволяют осуществлять динамическое управление постепенным изменением яркости для эмуляции различных визуальных эффектов. Например, можно повторить последовательность, созданную цифровой модуляцией периода увеличения и уменьшения яркости. Также можно задать пилообразную характеристику путем комбинирования постепенного изменения яркости с резким изменением направления кривой в обратную сторону.

Наконец, довольно сложную последовательность подсветки можно реализовать, сочетая постепенное изменения яркости с помощью встроенной ШИМ и модуляцию пикового тока ILED с использованием контакта IREF. Эффекты можно получить, используя минимум пассивных компонентов вокруг главного контроллера.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail

30-вольтовые N-канальные мощные МОП-транзисторы

Эти мощные МОП-транзисторы в 8-выводном корпусе SOIC и µ8FL (WDFN) имеют следующие особенности:

• низкое сопротивление канала в открытом состоянии для уменьшения потерь проводимости;
• минимальную величину заряда затвора для снижения потерь переключения;
• малую входную емкость для минимизации потерь в драйвере.

Применение транзисторов улучшает эффективность таких схем, как преобразователи постоянного тока, синхронные выпрямители. Благодаря малогабаритному корпусу 3,3×3,3×0,8 мм и значительному максимальному току, эти элементы применяются в ноутбуках, переносных компьютерах, принтерах и других периферийных устройствах. NTMS4800N обеспечивает ток до 8 A, NTMS4801N — 12 A, NTMS4802N — 18 A, NTTFS4821N — 57 A, NTTFS4823N — 50 A, NTTFS4824N — 69 A.

Компоненты тиристорной защиты

Компания ON Semiconductor представила новую серию устройств тиристорной защиты (TSPD) цепей телекоммуникационного оборудования. Эти устройства обеспечивают превосходные защитные свойства, имеют малые размеры и малую собственную емкость.

Микросхемы NP0080, NP0120, и NP0160 выпускаются в корпусе TSOP-5, имеют дифференциальную емкость до 3 пФ, способны выдерживать ток до 50 A в течении 8…20 мкс. Они применяются для защиты линии между DSL-трансформатором и абонентом, а также в устройствах доступа к данным.

Другая серия устройств тиристорной защиты NP-MC изготавливается в корпусе SMB, имеет емкость до 30 пФ и ток до 100 A. Эти изделия предлагаются в качестве альтернативы газорязрядным предохранителям. Благодаря низкой емкости, они вносят минимальные искажения в оборудование типа VDSV2+ и цепи T1/E1.

•••

Как сделать тусклее светодиодную лампу?

Отрежьте кусок вощёной бумаги. Отрежьте кусок изоленты и наклейте его на вощёную бумагу. Возьмите степлер и проткните изоленту с бумагой насквозь. У вас получится круглый ровный стикер — отклейте бумажный слой, чтобы заклеить LED-лампочку.

Интересные материалы:

Какой диаметр гандбола для подростков и мужчин? Какой диаметр шланга для дачи? Какой длины должны быть лыжи и палки? Какой длины должны быть усы? Какой длины считаются длинные волосы? Какой должен быть снуд? Какой должен быть зимний комбинезон для новорожденного? Какой должна быть длинна мужских брюк? Какой дом теплее каркасный или из сип панелей? Какой домашний интернет лучше проводной или беспроводной?