Шим контролер для світлодіодної стрічки. Мікросхеми-драйвери світлодіодів. Опис шим регулятора яскравості

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 на велосипед. 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 по функціональніше. Наприклад, з регулюванням яскравості «маленька/середня/максимальна», а оскільки в якості живлення планувалося використовувати літій-іонний акумулятор, то потрібен був індикатор рівня заряду. В інтернеті я бачив багато таких проектів, але вони чимось мене не влаштовували. Наприклад, мені зустрічалися проекти ШІМ-регуляторів яскравості, але у них або був відсутній індикатор рівня заряду, або індикатор рівня заряду був на 1...3 світлодіодах, а мені не подобалася така невелика інформативність. Ну що ж, робити так робити, і я взявся за збирання 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. Натомість я тимчасово поставив 10 звичайних світлодіодів.

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

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

У цій 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 відповідний драйвер, головне щоб він підтримував ШИМ-регулювання яскравості, і живився від того ж акумулятора, яким живиться ШИМ-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 потрібно з'єднати з живленням нашого ШИМ-регулятора, а ШИМ-вихід із регулятора потрібно підключити до входу «STDN» драйвера ZXSC400. Висновок «STDN» служить для регулювання яскравості за допомогою ШИМ 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 зі шпаруватістю 30% (1/3 яскравості світлодіода). При повторному утриманні кнопки більше 1 секунди ШИМ-регулятор вимикається, на ШИМ-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 ШИМ-регулятора, я підключив до його виходу звичайний світлодіод, але ще раз повторююсь – 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, 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 щодо використання знаходяться наприкінці статті.

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

Якщо перемичка J1 перебуває у положенні «1», використовується один Li-ion акумулятор. Якщо перемичка J1 знаходиться в положенні «2», використовуються три звичайні батарейки 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 ... 4,2, а у звичайних батарей робоча напруга приблизно дорівнює 3,0 ... 4,5 в. 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 застосована мікросхема-джерело опорної напруги TL431. З її допомогою досягається непогана точність виміру 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, відразу 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 скачати прошивки для МК ATmega8та ATmega328

Шутов Максим, м.Вельськ

Список радіоелементів

Світлодіоди використовуються практично у всіх техніці 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. При використанні 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, що проходить 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 одержують 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. У цьому 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 зображення, що рухається.
Щоб миготіння світла сприймалися як рівномірне світло, частота повинна становити не менше 200Гц. За верхніми показниками обмежень немає, але нижче ніяк не можна.

Як працює регулятор ШІМ

Для безпосереднього управління світлодіодами застосовується ключовий транзисторний 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

У системі ШІМ як генератор, що задає, можуть використовувати мікроконтролер, або схема, що складається зі схем малого ступеня інтеграції.
Також можливе створення регулятора з мікросхем, які призначені 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 схем, що найбільш використовуються, 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 випадку 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 змінюватися не буде.

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.

Якщо упустити подробиці та пояснення, то схема регулювання яскравості світлодіодів постане у найпростішому вигляді. Таке управління відмінно від способу ШІМ, який ми розглянемо трохи пізніше.
Отже, елементарний регулятор буде включати всього чотири елементи:

• блок живлення;
• стабілізатор;
• змінний резистор;
• безпосередньо лампочка.

І резистор, і стабілізатор можна купити у будь-якому радіомагазині. Підключаються вони точно так, як показано на схемі. Відмінності можуть полягати в індивідуальних параметрах кожного елемента і способі з'єднання стабілізатора і резистора (проводами або паянням безпосередньо).

Зібравши своїми руками таку схему за кілька хвилин, ви зможете переконатися, що змінюючи опір, тобто, обертаючи ручку резистора, ви здійснюватимете регулювання яскравості лампи.

У показовому прикладі акумулятор беруть на 12 Вольт, резистор на 1 ком, а стабілізатор використовують на найпоширенішій мікросхемі Lm317. Схема хороша тим, що допомагає нам зробити перші кроки у радіоелектроніці. Це аналоговий спосіб керування яскравістю. Однак він не підійде для приладів, які потребують більш тонкого регулювання.

Необхідність у регуляторах яскравості

Тепер розберемо питання трохи докладніше, дізнаємося, навіщо потрібне регулювання яскравості і як можна по-іншому керувати яскравістю світлодіодів.

• Найвідоміший випадок, коли потрібний регулятор яскравості для декількох світлодіодів, пов'язаний з освітленням житлового приміщення. Ми звикли керувати яскравістю світла: робити його м'якшим у вечірній час, включати на всю потужність під час роботи, підсвічувати окремі предмети та ділянки кімнати.
• Регулювати яскравість необхідно і в складніших приладах, таких як монітори телевізорів та ноутбуків. Без неї не обходяться автомобільні фари та кишенькові ліхтарики.
• Регулювання яскравості дозволяє економити нам електроенергію, якщо йдеться про потужних споживачів.
• Знаючи правила регулювання, можна створити автоматичне чи дистанційне керування світлом, що дуже зручно.

У деяких приладах просто зменшувати значення струму, збільшуючи опір, не можна, оскільки це може призвести до зміни білого кольору на зелений. До того ж, збільшення опору призводить до небажаного підвищеного виділення тепла.

Виходом із, здавалося б, складної ситуації стало ШІМ управління (широтно-імпульсна модуляція). Струм на світлодіод подається імпульсами. Причому значення його чи нуль, чи номінальне – найоптимальніше для світіння. Виходить, що світлодіод періодично то спалахує, то гасне. Чим більше часу світіння, тим яскравіше, як нам здається, світить лампа. Чим менше час світіння, тим лампочка світить тьмяніше. У цьому полягає принцип ШИМ.

Керувати яскравими світлодіодами та світлодіодними стрічками можна безпосередньо за допомогою потужних МОП-транзисторів або, як їх ще називають, MOSFET. Якщо ж потрібно керувати однією-двома малопотужними світлодіодними лампочками, то ролі ключів використовують звичайні біполярні транзистори або приєднують світлодіоди безпосередньо до виходів мікросхеми.

Повертаючи ручку реостату R2, ми будемо регулювати яскравість світлодіодів. Тут представлені світлодіодні стрічки (3 шт.), які приєднали до одного джерела живлення.

Знаючи теорію, можна зібрати схему ШІМ пристрою самостійно, не вдаючись до готових стабілізаторів та димерів. Наприклад, таку, як пропонується на просторах Інтернету.

NE555 - це і є генератор імпульсів, в якому всі тимчасові характеристики стабільні. IRFZ44N – це потужний транзистор, здатний керувати навантаженням високої потужності. Конденсатори задають частоту імпульсів, а до клем «вихід» приєднаються навантаження.

Оскільки світлодіод має малу інертність, тобто дуже швидко спалахує і гасне, то метод ШИМ регулювання є оптимальним для нього.

Готові до використання регулятори яскравості

Регулятор, який продається у готовому вигляді для світлодіодних ламп, називають диммером. Частота імпульсів, створюючи їм, досить велика для того, щоб ми не відчували мерехтіння. Завдяки ШИМ контролеру здійснюється плавне регулювання, що дозволяє досягати максимальної яскравості світіння або згасання лампи.

Вбудовуючи такий димер в стіну, можна скористатися ним, як звичайним вимикачем. Для зручності регулятор яскравості світлодіодів може керуватися радіо пультом.

Здатність ламп, створених на основі світлодіодів, змінювати свою яскравість відкриває великі можливості для проведення світлових шоу, створення красивого вуличного підсвічування. Та й звичайним кишеньковим ліхтариком стає значно зручніше користуватися, якщо є можливість регулювати інтенсивність його свічення.

Світлодіоди більше і більше входять у наше повсякденне життя. Ми змінюємо лампи розжарювання у квартирі чи будинку, галогенні у машині на світлодіодні. Для того щоб регулювати яскравість лампочки Еддісона зазвичай застосовують димер - ця така штука за допомогою якої можна обмежувати змінний струм, тим самим змінюючи яскравість свічення на потрібну вам, навіщо платити більше, та ще й відчувати дискомфорт через надмірно яскраве світло? Регулятор потужності взагалі може використовуватися для багатьох споживачів (паяльник, болгарка, пилосос, дриль...) від змінної напруги мережі, вони побудовані, як правило, на основі симістора.

Світлодіоди живляться від постійного та стабілізованого струму, тому тут застосувати стандартний диммер не вдасться. Якщо просто змінювати напругу, що подається на нього, то яскравість буде змінюватися дуже різко, для них важливий струм, але замість регулятора струму ми зробимо щось інше, а саме ШИМ (Широко Імпульсний Модулятор), він на деякий час відключатиме джерело живлення від світлодіода, яскравість зменшиться, але миготіння помічати ми не будемо, оскільки частота така, що око людини цього не помітить. Тут не використовуються мікроконтролери, адже їх наявність може стати перешкодою до збирання пристрою, потрібно мати програматор, певне програмне забезпечення ... Тому в цій простій схемі використовується тільки прості та загальнодоступні радіокомпоненти.

Ось таку штуку можна використовувати для будь-яких інерційних навантажень, тобто тих, які можуть запасати енергію, адже, якщо, наприклад, відключити DC двигун від джерела живлення то обертатися він перестане не миттєво.

Схему, як я вважаю, умовно можна розділити на дві частини, а саме це генератор, виконаний на мега-популярному таймері NE555 (аналог -КР1006ВІ1) і потужний транзистор, що відкривається/закривається, за допомогою якого подається харчування для навантаження (тут 555 працює в режимі стабільного мультивібратора). У нас використовується потужний біполярний транзистор NPNструктури (я взяв TIP122), але можна замінити його польовим (MOSFET) транзистором. Частота імпульсного генератора, період, тривалість імпульсу при цьому виставляється двома резисторами (R3, R2) та конденсаторами (C1, C2), а змінювати її ми зможемо резистором з регулюванням опору.

Компоненти-схеми

Існує купа програм для розрахунку аналогового таймера 555, можете поекспериментувати з номіналами компонентів, які впливають на частоту генератора - це легко прорахується за допомогою багатьох програм, таких як ця. Номінали можна трохи змінювати, все працюватиме і так. Імпульсні діоди 4148 без проблем замінюються вітчизняними КД222. Конденсатори 0,1 мкФ та 0,01 мкФ дискові керамічні. Змінним резистором встановлюємо частоту, для хорошого та плавного регулювання його максимальний опір 50 кОм.

Все зібрано на дискретних елементах, платня має розміри 50-25 мм.

Як працює схема?

Пристрій працює як перемикач між двома режимами: струм подається на навантаженняі струм не подається на навантаження. Перемикання відбувається настільки швидко, що наші очі не бачать цього миготіння. Так ось, цей пристрій регулює потужність шляхом зміни інтервалу між часом, коли живлення подається і коли воно відключено. Думаю, ви зрозуміли суть ШІМу. Ось так це виглядає на екрані осцилографа.

Перша картинка відображає слабке світіння, тому що під час періоду Tдовжина імпульсу t1 займає лише 20% (це так званий коефіцієнт заповнення), а решта 80% у нас спостерігається логічний 0 (відсутня напруга).

Друга картинка показує нам сигнал, який називається меандр, тоді у нас t1=0.5*T, тобто шпаруватість і Коеф. Заповнення дорівнюють 50%.

У третьому випадку маємо D=90%. Світлодіод світить майже на повну яскравість.

Уявимо, що T=1 секунді, тоді в першому випадку

§ 1) протягом 0,2с йтиме струм на світлодіод, а 0,8с немає

§ 2) 0,5с подається струм 0,5с немає

До речі, зробивши три хустки ШИМ регуляторів за схемою і підключивши їх до однієї RGB стрічці, з'являється можливість виставляти потрібну гаму світіння. Кожна з плат керує своїми світлодіодами (червоними, зеленими та синіми) та змішуючи їх у певній послідовності ви домагаєтеся потрібного свічення.

Які ж втрати енергії цей пристрій?

По-перше, це жалюгідні кілька міліампер, які споживають імпульсний генератор на мікросхемі, а далі йде силовий транзистор, на якому розсіюється потужність, що дорівнює приблизно P=0.6V*I споживання навантаження . Базовим резистором можна знехтувати. У цілому втрати на ШИМ мінімальні адже система регулювання по ширині імпульсу дуже ефективна, тому що в порожню витрачається дуже мало енергії (і, отже, виділяється мало тепла).

Підсумок

У результаті ми отримали прекрасний і простий ШІМ. Їм виявилося дуже зручно налаштовувати собі приємну силу свічення. Такий пристрій завжди стане в нагоді в побуті.

• Вперед >

У деяких випадках, наприклад, у ліхтариках або домашніх освітлювальних приладах виникає необхідність регулювати яскравість свічення. Здавалося б, чого простіше: достатньо змінити струм через світлодіод, збільшивши або зменшивши . Але в цьому випадку на обмежувальному резисторі витрачатиметься значна частина енергії, що зовсім неприпустимо при автономному живленні від батарей або акумуляторів.

Крім того, колір світіння світлодіодів буде змінюватися: наприклад, білий колір при зниженні струму менше номінального (для більшості світлодіодів 20мА) матиме кілька зелений відтінок. Така зміна кольору часом зовсім ні до чого. Уявіть, що ці світлодіоди підсвічують екран телевізора або комп'ютерного монітора.

У цих випадках застосовується ШІМ - регулювання (широтно - імпульсне). Сенс його в тому, що періодично запалюється та гасне. При цьому струм протягом усього часу спалаху залишається номінальним, тому спектр свічення не спотворюється. Якщо світлодіод білий, то зелені відтінки з'являтися не будуть.

До того ж при такому способі регулювання потужності втрати енергії мінімальні, ККД схем з ШИМ регулюванням дуже високий, досягає 90 з лишком відсотків.

Принцип ШІМ - регулювання досить простий, і показаний на малюнку 1. Різне співвідношення часу запаленого і погашеного стану на око сприймається як: як у кіно - кадри, що показуються почергово, по черзі сприймаються як рухоме зображення. Тут все залежить від частоти проекції, про що розмова трохи пізніше.

Рисунок 1. Принцип ШІМ – регулювання

На малюнку зображені діаграми сигналів на виході пристрою керування ШІМ (або генератор, що задає). Нулем та одиницею позначені: логічна одиниця (високий рівень) викликає свічення світлодіода, логічний нуль (низький рівень), відповідно, згасання.

Хоча все може бути і навпаки, оскільки все залежить від схемотехніки вихідного ключа, - включення світлодіода може здійснюватися низьким рівнем, а вимкнення, якраз високим. І тут фізично логічна одиниця матиме низький рівень напруги, а логічний нуль високий.

Інакше кажучи, логічна одиниця викликає включення якоїсь події чи процесу (у разі засвічування світлодіода), а логічний нуль повинен цей процес відключити. Тобто не завжди високий рівень на виході цифрової мікросхеми є ЛОГІЧНОЮ одиницею, все залежить від того, як побудовано конкретну схему. Це так, до відома. Але поки вважатимемо, що ключ управляється високим рівнем, і інакше просто бути не може.

Частота та ширина керуючих імпульсів

Слід звернути увагу, що період проходження імпульсів (або частота) залишається незмінним. Але, загалом, частота імпульсів яскравість світіння впливу не надає, тому, до стабільності частоти спеціальних вимог не пред'являється. Змінюється лише тривалість (ШИРИНА), у разі, позитивного імпульсу, з допомогою чого працює весь механізм широтно-импульсной модуляції.

Тривалість керуючих імпульсів малюнку 1 виражена в %%. Це так званий "коефіцієнт заповнення" або, за англомовною термінологією, DUTY CYCLE. Виражається ставленням тривалості керуючого імпульсу до періоду прямування імпульсів.

У російськомовній термінології зазвичай використовується «Свердловість» - відношення періоду прямування до часу імпульса. Таким чином якщо коефіцієнт заповнення 50%, то шпаруватість дорівнюватиме 2. Принципової різниці тут немає, тому, користуватися можна будь-який з цих величин, кому як зручніше і зрозуміліше.

Тут, звичайно, можна було б навести формули для розрахунку шпаруватості та DUTY CYCLE, але, щоб не ускладнювати виклад, обійдемося без формул. У крайньому випадку закон Ома. Тут нічого не поробиш: «Не знаєш закон Ома, сиди вдома!». Якщо вже когось ці формули зацікавлять, то їх завжди можна знайти на просторах Інтернету.

Частота ШИМ для світлорегулятора

Як було сказано трохи вище, особливих вимог до стабільності частоти імпульсів ШІМ не пред'являється: ну, трохи «плаває», та й добре. Подібною нестабільністю частоти, до речі, досить великий, мають ШІМ - регулятори, що не заважає їх застосуванню у багатьох конструкціях. В даному випадку важливо лише, щоб ця частота не стала нижчою за деяке значення.

А яка має бути частота, і наскільки вона може бути нестабільною? Не забувайте, що йдеться про світлорегулятори. У кінотехніці існує термін "критична частота миготіння". Це частота, при якій окремі картинки, що показуються один за одним, сприймаються як зображення, що рухається. Для ока ця частота становить 48Гц.

Саме з цієї причини частота зйомки на кіноплівці становила 24 кадр/сек (телевізійний стандарт 25 кадр/сек). Для підвищення цієї частоти до критичної в кінопроекторах застосовується дволопатевий обтюратор (заслінка), що двічі перекриває кожен показуваний кадр.

У аматорських вузькоплівкових 8мм проекторах частота проекції становила 16кадр/сек, тому обтюратор мав аж три лопаті. Тим же цілям телебачення служить той факт, що зображення показується напівкадрами: спочатку парні, а потім непарні рядки зображення. В результаті виходить частота миготіння 50Гц.

Робота світлодіода в режимі ШІМ є окремими спалахами регульованої тривалості. Щоб ці спалахи сприймалися на око як безперервне свічення, їх частота повинна бути ніяк не меншою за критичну. Вище скільки завгодно, але нижче не можна. Цей фактор слід враховувати під час створення ШИМ - регуляторів для світильників.

До речі, просто як цікавий факт: вчені якимось чином визначили, що критична частота для ока бджоли становить 800Гц. Тому фільм на екрані бджола побачить як послідовність окремих зображень. Для того, щоб вона побачила зображення, що рухається, частоту проекції потрібно збільшити до восьмисот півкадрів в секунду!

Для управління власне світлодіодом використовується. Останнім часом найбільш широко для цієї мети використовуються , що дозволяють комутувати значну потужність (застосування цих цілей звичайних біполярних транзисторів вважається просто непристойним).

Така потреба (потужний MOSFET - транзистор) виникає при великій кількості світлодіодів, наприклад, при , про які буде розказано трохи пізніше. Якщо потужність невелика - при використанні одного - двох світлодіодів, можна використовувати ключі на малопотужних, а при можливості підключати світлодіоди безпосередньо до виходів мікросхем.

На малюнку 2 показано функціональну схему ШІМ - регулятора. Як елемент управління на схемі умовно показаний резистор R2. Обертанням його ручки можна в необхідних межах змінювати шпаруватість імпульсів, що управляють, а, отже, яскравість світлодіодів.

Малюнок 2. Функціональна схема ШІМ – регулятора

На малюнку показано три ланцюжки послідовно з'єднаних світлодіодів з резисторами, що обмежують. Приблизно така сама сполука застосовується у світлодіодних стрічках. Чим довша стрічка, тим більше світлодіодів, тим більше споживаний струм.

Саме в цих випадках будуть потрібні потужні , допустимий струм стоку яких повинен бути трохи більше струму, що споживається стрічкою. Остання вимога виконується досить легко: наприклад, у транзистора IRL2505 струм стоку близько 100А, напруга стоку 55В, при цьому його розміри і ціна досить привабливі для використання в різних конструкціях.

Задаючі генератори ШІМ

Як задає ШІМ - генератора може використовуватися мікроконтролер (в промислових умовах найчастіше), або схема, виконана на мікросхемах малого ступеня інтеграції. Якщо в домашніх умовах передбачається виготовити незначну кількість ШІМ - регуляторів, а досвіду створення мікроконтролерних пристроїв немає, то краще зробити регулятор на тому, що в даний час виявилося під рукою.

Це можуть бути логічні мікросхеми серії К561, інтегральний таймер, а також спеціалізовані мікросхеми, призначені для . У цій ролі можна змусити працювати навіть, зібравши на ньому регульований генератор, але це вже, мабуть, «з любові до мистецтва». Тому далі будуть розглянуті тільки дві схеми: найпоширеніша на таймері 555, і на контролері ДБЖ UC3843.

Схема генератора, що задає, на таймері 555

Малюнок 3. Схема генератора, що задає

Ця схема є звичайним генератором прямокутних імпульсів, частота якого задається конденсатором C1. Заряд конденсатора відбувається по ланцюгу «Вихід – R2 – RP1-C1 – загальний провід». При цьому на виході має бути напруга високого рівня, що рівнозначно, що вихід з'єднаний з плюсовим полюсом джерела живлення.

Розряджається конденсатор ланцюга «C1 - VD2 - R2 - Вихід - загальний провід» в той час, коли на виході присутня напруга низького рівня, - вихід з'єднаний із загальним проводом. Ось ця різниця в шляхах заряду - розряду конденсатора, що час задає, і забезпечує отримання імпульсів з регульованою шириною.

Слід зазначити, що діоди навіть одного типу мають різні параметри. У разі грає роль їх електрична ємність, яка змінюється під впливом напруги на діодах. Тому разом із зміною шпаруватості вихідного сигналу змінюється його частота.

Головне, щоб вона не стала меншою за критичну частоту, про яку було згадано трохи вище. Інакше замість рівномірного світіння з різною яскравістю буде видно окремі спалахи.

Приблизно (знову ж таки винні діоди) частоту генератора можна визначити за формулою, показаною нижче.

Частота генератора ШІМ на таймері 555.

Якщо в формулу ємність конденсатора підставити у фарадах, опір в Омах, то результат повинен вийти в герцах Гц: від системи СІ нікуди не дінешся! При цьому мається на увазі, що двигун змінного резистора RP1 знаходиться в середньому положенні (у формулі RP1/2), що відповідає вихідному сигналу форми меандр. На малюнку 2 це саме та частина, де вказана тривалість імпульсу 50%, що рівнозначно сигналу зі шпаруватістю 2.

генератор ШИМ, що задає, на мікросхемі UC3843

Його схема показано малюнку 4.

Малюнок 4. Схема генератора ШІМ, що задає, на мікросхемі UC3843

Мікросхема UC3843 є керуючим ШІМ-контролером для імпульсних блоків живлення та застосовується, наприклад, у комп'ютерних джерелах формату ATX. У разі типова схема її включення дещо змінена убік спрощення. Для керування шириною вихідного імпульсу на вхід схеми подається регулююча напруга позитивної полярності, то на виході виходить імпульсний сигнал ШІМ.

У найпростішому випадку регулюючу напругу можна подати за допомогою змінного резистора опором 22...100Км. При необхідності можна керуючу напругу отримувати, наприклад, з аналогового датчика освітленості, виконаного на фоторезистори: чим темніше за вікном, тим світліше в кімнаті.

Регулююча напруга впливає на вихід ШІМ, таким чином, що при зниженні ширина вихідного імпульсу збільшується, що зовсім не дивно. Адже вихідне призначення мікросхеми UC3843 - стабілізація напруги блоку живлення: якщо вихідна напруга падає, а разом з нею і регулююча напруга, то треба вживати заходів (збільшувати ширину вихідного імпульсу) для підвищення вихідної напруги.

Регулююча напруга у блоках живлення виробляється, як правило, за допомогою стабілітронів. Найчастіше це чи їм подібні.

При зазначених на схемі номіналах деталей частота генератора близько 1КГц, і на відміну від генератора на таймері 555, при зміні шпаруватості вихідного сигналу не «плаває» - турбота про сталість частоти імпульсних блоків живлення.

Щоб регулювати значну потужність, наприклад світлодіодна стрічка, до виходу слід підключити ключовий каскад на транзисторі MOSFET, як було показано на малюнку 2.

Можна було б і більше розповісти про ШІМ - регулятори, але поки зупинимося на цьому, а в наступній статті розглянемо різні способи підключення світлодіодів. Адже не всі способи однаково хороші, є такі, яких слід уникати, та й просто помилок при підключенні світлодіодів трапляється достатньо.