Схема ШИМ-регулятора яркости светодиодов для сборки своими руками

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 – -Uпит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3Uпит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -Uпит. Достигнув отметки 1/3Uпит 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.

На симисторе

Такой диммер будет работать от напряжения сети 220В напрямую, схема отличается относительной простотой, поэтому собрать ее под силу даже начинающему радиолюбителю. Принцип регулирования напряжения в этом диммере заключается в отсекании определенного полупериода синусоиды, благодаря чему снижение электрического параметра приводит к реальной экономии электроэнергии.

Посмотрите на схему подключения, симистор – это электронный ключ, который управляется сигналами с динистора, включенного во времязадающую R — C цепочку.

Схема диммера на симисторе

Работа схемы заключается в следующем: после подключения фазы 220В к диммеру, на времязадающую цепочку C1 – R1 – R2 будет подано напряжение, так как динистор VS1 закрыт, ток протекает только через конденсатор и резисторы.

В зависимости от установленного поворотным резистором омического сопротивления будет зависеть и величина тока. От величины тока зависит и скорость заряда конденсатора C1, при достижении нужной величины потенциала на котором произойдет открытие динистора.

Через цепь открывшегося динистора на симистор VS2 подается сигнал открытия, срабатывает ключ, пропускающий определенную часть полупериода к нагрузке. Ток удержания в симисторе не возникает, поэтому с разрядом конденсатора вся цепь переходит в исходное состояние вплоть до следующего полупериода, который откроет ключ и подаст на нагрузку потенциал.

Изменение синусоиды

Как видите, такая схема диммера осуществляет регулировку яркости «обрезая» форму синусоиды до определенного импульса, уменьшая и величину напряжения, и его действующее значение. В виду нестабильного колебания кривой такую модель светорегулятора однозначно можно подключать к лампам накаливания, поскольку они не восприимчивы к форме напряжения. Что касается светодиодных и люминесцентных моделей, их нужно тестировать на уже готовом диммере.

Чтобы изготовить такой диммер для практического использования, лучше взять печатную плату. Так как при стационарной установке при регулировании напряжения вам понадобится жесткое крепление к конструкции. Ее можно как заказать, так и изготовить самостоятельно.

Процесс сборки состоит из следующих этапов:

  • Перенесите эскиз на фольгированную плату, в местах монтажа соответствующих деталей сделайте разметку. Дорожки наведите нитрокраской и протравите плату диммера в хлорном железе.

Протравите плату

  • В процессе травки плату нужно переворачивать, а после окончания, достаньте и полудите ее, промойте спиртом и просверлите отверстия для ножек.

Сделайте отверстия

  • Поместите ножки радиодеталей в просверленные отверстия под них.

Поместите ножки радиодеталей в отверстия

Если вы разметили монтажные площадки, придерживайтесь данной разметки.

  • Разогрейте паяльник и нанесите слой олова с обратной стороны платы диммера.

Припаяйте ножки радиодеталей

  • Протестируйте собранную конструкцию на лампе накаливания, если она работает как надо, можете собирать диммер в корпус.

Опробуйте работоспособность на лампе накаливания

Схема подключения диммера к светодиодной ленте

На фото ниже представлена схема подключения своими руками классического диммера к обычным светодиодам. В готовых решениях, которые можно купить в любом светотехническом магазине, необходимо просто подключить провода к имеющимся разъемам.

Подключение поворотного диммера к светодиодам

Стоит учесть, что вышеуказанная схема справедлива для светодиодной ленты, которая может светить только одним цветом (например, белым). Дело в том, что для каждого цвета необходим свой набор диммирующих схем, соответственно, и само устройство должно поддерживать подключение и регулировку многоцветных лент (они же RGB). Смысл работы такого светового диммера абсолютно идентичен обычному, разница только в расширенном наборе регуляторов.

Подключение светодиодной RGB-ленты

Дополнительно в такую систему подключается RGB-контроллер, без которого регулирование различных цветов будет невозможно. Таким образом, с помощью диммера можно своими руками либо автоматически создать любой цвет и его оттенок, что широко используется в декоративных целях. При включении всех трех цветов на максимально доступной мощности получается белый свет, который может использоваться в качестве дополнительного или даже основного освещения.

Изменение яркости светодиодов или Контроллер своими руками

Сегодня мы постараемся сделать контроллер, который будет регулировать яркость светодиода. Материалы для данного теста были взяты с сайта led22.ru из статьи «Светодиоды для авто своими руками».

Сегодня мы постараемся сделать контроллер, который будет регулировать яркость светодиода. Материалы для данного теста были взяты с сайта led22.ru из статьи «Светодиоды для авто своими руками». 2 основные детали, используемые в даннном эксперименте — стабилизатор тока LM317 и переменный резистор. Их можно увидеть на фотографии ниже. Отличие нашего эксперимента от приведенного в оригинальной статье — мы так и оcтавили переменный резистор для регулироваки света светодиода. В магазине радиодеталей (не самом дешевом, но всем очень известном) мы приобрели данные детали за 120 рублей (стабилизатор — 30р, резистор — 90р). Здесь хочется отметить, что резистор российского производства «тембр», обладающий максимальным сопротивлением в 1кОм.

Читайте также  Армопояс на газобетон

Схема подключения: на правую ножку стабилизатора тока LM317 подается «плюс» от блока питания 12V. К левой и средней ножкам поключается резистор переменного тока. Так же, к левой ножке подключается плюсовая ножка светодиода. Минусовой провод от блока питания подключается к минусовой ножке светодиода.

Получается, что ток, проходя через Lm317, уменьшается до величины, заданной сопротивлением переменного резистора.

На практике решено было припаять стабилизатор прямо на резистор. Сделано это в первую очередь для отведения тепла от стабилизатора. Теперь он будет нагреваться вместе с резистором. На резисторе у нас расположено 3 контакта. Мы используем центральный и крайний. Какой имеено крайний использовать — для нас не важно. В зависимости от выбора, в одном случае при повороте ручки по часовой стрелке яркость будет увеличиваться, в противоположном случае — уменьшаться. Если подключить крайние контакты, сопротивление будет постоянно 1 кОм.

Припаиваем провода, как на схеме. К коричневому проводу будет подходить «плюс» от блока питания, синий — «плюс» к светодиоду. При пайке специально оставляем побольше олова, чтобы была лучше теплопередача.

И напоследок одеваем термоусадку, чтобы исключить возможность короткого замыкания. Теперь можно пробовать.

Для первого теста мы используем светодиоды:

1) Epistar 1W, рабочее напряжение — 4V (в нижней части следующей фотографии).

2) Плоский диод с тремя чипами, рабочее напряжение — 9V (в верхней части следующей фотографии).

Результаты (можно увидеть в следующем ролике) не могут не радовать: ни один диод не сгорел, яркость регулируется плавно от минимума до максимума. Для питания полупроводника основное значение имеет ток питания, а не напряжение (ток растет экспоненциально относительно напряжения, при повышении напряжения резко повышается вероятность «сжечь» светодиод.

После чего проводится тест со светодиодными модулями на 12V. И на них наш контроллер отрабатывает без проблем. Именно этого мы и добивались.

Преимущества и недостатки

  1. Установка необходимого уровня освещенности в помещении в зависимости от требований ситуации.
  2. Возможность регулирования количества электроэнергии, потребляемой системой освещения.
  1. Диммеры крайне «нежны» в плане перегрева. Обладают таким свойством, так как основаны на микросхеме. Перед покупкой необходимо знать, какой мощностью должен управлять светорегулятор.
  2. Диммер требователен и значению минимальной нагрузки. Если значения, указанные на корпусе, будут ниже, устройство очень скоро выйдет из строя.
  3. Многие все еще используют и вряд ли скоро расстанутся с люминесцентными и энергосберегающими лампами. А они, как предупреждают производители оных, либо не поддаются регулировке вовсе, либо регулируются, но это значительно снижает их срок эксплуатации.

к содержанию ↑

Регулятор яркости светодиодной подсветки приборов авто. Схема плавного розжига светодиодов.

Регулятор яркости светодиодной подсветки приборов авто.
Схема плавного розжига светодиодов.

Плавный розжиг & Регулятор яркости светодиодов подсветки приборов авто

Многие автолюбители переделывают подсветку приборной панели своего авто с обычных ламп накаливания на светодиоды, и зачастую, особенно при использовании супер-ярких, приборка сияет как новогодняя елка и режет по глазам ярким свечением, что требует применения дополнительного устройства, с помощью которого можно регулировать уровень яркости, как говорится, на свой вкус. Вообще существуют два метода регулировки, это аналоговое регулирование, которая заключается в изменении уровня постоянного тока светодиода, и ШИМ регулирование, то есть периодическое включение и выключение тока через светодиод на регулируемые промежутки времени. При ШИМ-регулировке частота импульсов должна быть не ниже 200 Гц, иначе на глаз будет заметно мерцание светодиодов . Ниже приведена принципиальная схема простейшего блока, реализованного на микросхеме-таймере NE555, отечественным аналогом которой является КР1006ВИ1, эта микросхема и формирует широтно-импульсные сигналы управления.

Уровень яркости подсветки регулируется переменным резистором номиналом 50 кОм, то есть этим резистором изменяется скважность импульсов управления. В качестве регулирующего элемента применен N-канальный полевой транзистор IRFZ44N, который можно заменить, например, на IRF640 или подобный.

Делать перечень примененных элементов наверно нет смысла, их в схеме не так уж и много, поэтому перейдем к рассмотрению печатной платы.

Печатная плата разработана в программе Sprint Layout, вид платы данного формата выглядит следующим образом:

Фото-вид платы ШИМ-регулятора LAY6 формата:

У многих возникает желание добавить к схеме регулятора эффект плавного розжига, и в этом нам поможет широко распространенная в интернете простенькая схемка:

На печатной плате мы разместили обе вышеприведенных схемы, и схему регулятора, и схему плавного розжига. LAY6 формат платы выглядит так:

Фото-вид LAY6 формата:

Фольгированный текстолит для платы односторонний, размер 24 х 74 мм.

Для установления желаемого времени розжига и затухания поиграйте номиналами резисторов, обозначенных на печатной плате звездочками, так же это время зависит от номинала электролитической емкости в схеме розжига, расположенной над выходным гнездом LED (С увеличением номинала конденсатора увеличится время).

Обращаем ваше внимание, что в схеме плавного розжига применен P-канальный MOSFET. Ниже показана цоколевка транзисторов:

Цоколевка транзистора КТ503

Цоколевка транзистора IRFZ44N

Цоколевка транзистора IRF9540

В дополнение к статье приводим еще один пример схемы с регулятором яркости и плавным розжигом светодиодов приборной панели авто:

Размер архива с материалами статьи – 0,4 Mb.

Возможные ошибки при монтаже

Установка диммера не вызывает сложности, но новички могут допустить ряд ошибок. К типичным проблемам относятся:

  • использование светорегулятора при повышенных температурах – оптимальная предельная температура составляет 27-30 градусов;
  • нагрузка должна составлять не менее 40-45 В, иначе падает срок службы диммера и лампы;
  • неправильный выбор диммера под конкретную лампочку;
  • использование регулятора для LED ленты в лампе и наоборот.

Последние 2 ошибки являются самыми распространенными. Перед началом монтажа нужно убедиться, что диммер подходит под лампочку, и только после этого начинать установку.

Светодиодные ленты

Светодиодная лента представляет собой цепь соединённых светодиодов. Соединены они не просто так, например обычная 12V лента состоит из сегментов по 3 светодиода в каждом. Сегменты соединены между собой параллельно, то есть на каждый приходят общие 12 Вольт. Внутри сегмента светодиоды соединены последовательно, а ток на них ограничивается общим резистором (могут стоять два для более эффективного теплоотвода):

Таким образом достаточно просто подать 12V от источника напряжения на ленту и она будет светиться. За простоту и удобство приходится платить эффективностью. Простая математика: три белых светодиода, каждому нужно по

3.2V, суммарно это 9.6V. Подключаем ленту к 12V и понимаем, что 2.5V у нас просто уходят в тепло на резисторах. И это в лучшем случае, если резистор подобран так, чтобы светодиод горел на полную яркость.

Подключаем к Arduino

Здесь всё очень просто: смотрите предыдущий урок по управлению нагрузкой постоянного тока. Управлять можно через реле, транзистор или твердотельное реле. Нас больше всего интересует плавное управление яркостью, поэтому продублирую схему с полевым транзистором:

Конечно же, можно воспользоваться китайским мосфет-модулем! Пин VCC кстати можно не подключать, он никуда не подведён на плате.

Управление

Подключенная через транзистор лента управляется точно так же, как светодиод в предыдущей главе, то есть все примеры кода с миганием, плавным миганием и управление потенциометром подходят к этой схеме.

Читайте также  Ящики для цветов на балконе

Про RGB и адресные светодиодные ленты мы поговорим в отдельных уроках.

Питание и мощность

Светодиодная лента потребляет немаленький ток, поэтому нужно убедиться в том, что выбранный блок питания, модуль или аккумулятор справится с задачей. Но сначала обязательно прочитайте урок по закону Ома! Потребляемая мощность светодиодной ленты зависит от нескольких факторов:

  • Яркость. Максимальная мощность будет потребляться на максимальной яркости.
  • Напряжение питания (чаще всего 12V). Также бывают 5, 24 и 220V ленты.
  • Качество, тип и цвет светодиодов: одинаковые на вид светодиоды могут потреблять разный ток и светить с разной яркостью.
  • Длина ленты. Чем длиннее лента, тем больший ток она будет потреблять.
  • Плотность ленты, измеряется в количестве светодиодов на метр. Бывает от 30 до 120 штук, чем плотнее – тем больший ток будет потреблять при той же длине и ярче светить.

Лента всегда имеет характеристику мощности на погонный метр (Ватт/м), указывается именно максимальная мощность ленты при питании от номинального напряжения. Китайские ленты в основном имеют чуть меньшую фактическую мощность (в районе 80%, бывает лучше, бывает хуже). Блок питания нужно подбирать так, чтобы его мощность была больше мощности ленты, т.е. с запасом как минимум на 20%.

    Пример 1: нужно подключить 4 метра ленты с мощностью 14 Ватт на метр, лента может работать на максимальной яркости. 14*4 == 56W, с запасом 20% это будет 56*1.2

70W, ближайший блок питания в продаже будет скорее всего на 100W.

  • Пример 2: берём ту же ленту, но точно знаем, что яркость во время работы не будет больше половины. Тогда можно взять блок на 70 / 2 == 35W.
  • Важные моменты по току и подключению:

    • Подключение: допустим, у нас подключено ленты на 100W. При 12 Вольтах это будет 8 Ампер – весьма немаленький ток! Ленту нужно располагать как можно ближе к блоку питания и подключать толстыми (2.5 кв. мм и толще) проводами. Также при создании освещения есть смысл перейти на 24V ленты, потому что ток в цепи будет меньше и можно взять более тонкие провода: если бы лента из прошлого примера была 24-Вольтовой, ток был бы около 4 Ампер, что уже не так “горячо”.
    • Дублирование питания: лента сама по себе является гибкой печатной платой, то есть ток идёт по тонкому слою меди. При подключении большой длины ленты ток будет теряться на сопротивлении самой ленты, и чем дальше от точки подключения – тем слабее она будет светить. Если требуется максимальная яркость на большой длине, нужно дублировать питание от блока питания дополнительными проводами, или ставить дополнительные блоки питания вдоль ленты. Дублировать питание рекомендуется каждые 2 метра, потому что на такой длине просадка яркости становится заметной уже почти на всех лентах.
    • Охлаждение: светодиоды имеют не 100% КПД, плюс ток в них ограничивается резистором, и как результат – лента неслабо греется. Рекомендуется приклеивать яркую и мощную ленту на теплоотвод (алюминиевый профиль). Так она не будет отклеиваться и вообще проживёт гораздо дольше.

    Основные выводы

    Применение регуляторов позволяет экономить электроэнергию и повысить уровень комфорта. Большой ассортимент светодиодов и диммеров затрудняет определение совместимости и выбор. Покупатель должен обладать минимумом знаний в этой области и тщательно изучить надписи на упаковках.

    Бывает полезна консультация продавца. Если он регулярно обучается и обладает опытом, его мнение следует учесть. Для покупки лучше выбрать магазин, в котором имеется стенд для проверки совместимости диодов и регулятора света. Это поможет избежать неприятных сюрпризов и разочарований из-за некорректной работы системы.