Меню

Как регулировать яркость освещения светодиодами



Способы управления яркостью свечения светодиодов с помощью импульсных драйверов

Rich Rosen, National Semiconductor

Введение

Экспоненциальный рост количества светодиодных источников света сопровождается столь же бурным расширением ассортимента интегральных схем, предназначенных для управления питанием светодиодов. Импульсные драйверы светодиодов давно заменили неприемлемые для озабоченного экономией энергии мира прожорливые линейные регуляторы, став для отрасли фактическим стандартом. Любые приложения, от ручного фонарика до информационных табло на стадионах, требуют точного управления стабилизированным током. При этом часто бывает необходимо в реальном времени изменять интенсивность излучения светодиодов. Управление яркостью источников света, и, в частности, светодиодов, называется диммированием. В данной статье излагаются основы теории светодиодов и описываются наиболее популярные методы диммирования с помощью импульсных драйверов.

Яркость и цветовая температура светодиодов

Яркость светодиодов

Концепцию яркости видимого сета, испускаемого светодиодом, понять довольно легко. Числовое значение воспринимаемой яркости излучения светодиода может быть легко измерено в единицах поверхностной плотности светового потока, называемых кандела (кд). Суммарная мощность светового излучения светодиода выражается в люменах (лм). Важно понимать, также, что яркость светодиода зависит от средней величины прямого тока.

На Рисунке 1 изображен график зависимости светового потока некоторого светодиода от прямого тока. В области используемых значений прямых токов (IF) график исключительно линеен. Нелинейность начинает проявляться при увеличении IF. При выходе тока за пределы линейного участка эффективность светодиода уменьшается.

Рисунок 1. Зависимость светового потока от тока через светодиод.

При работе вне линейной области значительная часть подводимой к светодиоду мощности рассеивается в виде тепла. Это потраченное впустую тепло перегружает драйвер светодиода и усложняет тепловой расчет конструкции.

Цветовая температура светодиодов

Цветовая температура является параметром, характеризующим цвет светодиода, и указывается в справочных данных. Цветовая температура конкретного светодиода описывается диапазоном значений и смещается при изменении прямого тока, температуры перехода, а также, по мере старения прибора. Чем ниже цветовая температура светодиода, тем ближе его свечение к красно-желтому цвету, называемому «теплым». Более высоким цветовым температурам соответствуют сине-зеленые цвета, называемые «холодными». Нередко для цветных светодиодов вместо цветовой температуры указывается доминирующая длина волны, которая может смещаться точно также, как цветовая температура.

Способы управления яркостью свечения светодиодов

Существуют два распространенных способа управления яркостью (диммирования) светодиодов в схемах с импульсными драйверами: широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и аналоговое регулирование. Оба способа сводятся, в конечном счете, к поддержанию определенного уровня среднего тока через светодиод, или цепочку светодиодов. Ниже мы обсудим различия этих способов, оценим их преимущества и недостатки.

На Рисунке 2 изображена схема импульсного драйвера светодиода в конфигурации понижающего преобразователя напряжения. Напряжение VIN в такой схеме всегда должно превышать сумму напряжений на светодиоде и резисторе RSNS. Ток дросселя целиком протекает через светодиод и резистор RSNS, и регулируется напряжением, подаваемым с резистора на вывод CS. Если напряжение на выводе CS начинает опускаться ниже установленного уровня, коэффициент заполнения импульсов тока, протекающего через L1, светодиод и RSNS увеличивается, вследствие чего увеличивается средний ток светодиода.

Рисунок 2. Топология понижающего преобразователя.

Аналоговое диммирование

Аналоговое диммирование – это поцикловое управление прямым током светодиода. Проще говоря, это поддержание тока светодиода на постоянном уровне. Аналоговое диммирование выполняется либо регулировкой резистора датчика тока RSNS, либо изменением уровня постоянного напряжения, подаваемого на вывод DIM (или аналогичный вывод) драйвера светодиодов. Оба примера аналогового управления показаны на Рисунке 2.

Аналоговое диммирование регулировкой RSNS

Из Рисунка 2 видно, что при фиксированном опорном напряжении на выводе CS изменение величины RSNS вызывает соответствующее изменение тока светодиода. Если бы было возможно найти потенциометр с сопротивлением менее одного Ома, способный выдержать большие токи светодиода, такой способ диммирования имел бы право на существование.

Аналоговое диммирование с помощью управления напряжением питания через вывод CS

Более сложный способ предполагает прямое поцикловое управление током светодиода с помощью вывода CS. Для этого, в типичном случае, в петлю обратной связи включается источник напряжения, снимаемого с датчика тока светодиода и буферизованного усилителем (Рисунок 2). Для регулировки тока светодиода можно управлять коэффициентом передачи усилителя. В эту схему обратной связи несложно ввести дополнительную функциональность, такую, например, как токовую и температурную защиту.

Недостатком аналогового диммирования является то, что цветовая температура излучаемого света может зависеть от прямого тока светодиода. В тех случаях, когда изменение цвета свечения недопустимо, диммирование светодиода регулированием прямого тока применяться не может.

Диммирование с помощью ШИМ

Диммирование с помощью ШИМ заключается в управлении моментами включения и выключения тока через светодиод, повторяемыми с достаточно высокой частотой, которая, с учетом физиологии человеческого глаза, не должна быть меньше 200 Гц. В противном случае, может проявляться эффект мерцания.

Средний ток через светодиод теперь становится пропорциональным коэффициенту заполнения импульсов и выражается формулой:

Читайте также:  Холодильник аристон регулировка холода

IDIM-LED – средний ток через светодиод,
DDIM – коэффициент заполнения импульсов ШИМ,
ILED – номинальный ток светодиода, устанавливаемый выбором величины сопротивления RSNS (см. Рисунок 3).

Рисунок 3. Двухпроводное ШИМ диммирование.

Модуляция драйвера светодиодов

Многие современные драйверы светодиодов имеют специальный вход DIM, на который можно подавать ШИМ сигналы в широким диапазоне частот и амплитуд. Вход обеспечивает простой интерфейс со схемами внешней логики, позволяя включать и выключать выход преобразователя без задержек на перезапуск драйвера, не затрагивая при этом работы остальных узлов микросхемы. С помощью выводов разрешения выхода и вспомогательной логики можно реализовать ряд дополнительных функций.

Двухпроводное ШИМ-диммирование

Двухпроводное ШИМ-диммирование приобрело популярность в схемах внутренней подсветки автомобилей. Если напряжение на выводе VINS становится на 70% меньше, чем на VIN (Рисунок 3), работа внутреннего силового MOSFET транзистора запрещается, и ток через светодиод выключается. Недостаток метода заключается в необходимости иметь схему формирователя сигнала ШИМ в источнике питания преобразователя.

Быстрое ШИМ-диммирование с шунтирующим устройством

Запаздывание моментов включения и выключения выхода конвертора ограничивает частоту ШИМ и диапазон изменения коэффициента заполнения. Для решения этой проблемы параллельно светодиоду, или цепочке светодиодов, можно подключить шунтирующее устройство, такое, скажем, как MOSFET транзистор, показанный на Рисунке 4а, позволяющий быстро пустить выходной ток преобразователя в обход светодиода (светодиодов).

а)
б)
Рисунок 4. Быстрое ШИМ диммирование (а), формы токов и напряжений (б).

Ток дросселя на время выключения светодиода остается непрерывным, благодаря чему нарастание и спад тока перестают затягиваться. Теперь время нарастания и спада ограничивается только характеристиками MOSFET транзистора. На Рисунке 4а изображена схема подключения шунтирующего транзистора к светодиоду, управляемому драйвером LM3406, а на Рисунке 4б показаны осциллограммы, иллюстрирующие различие результатов, получаемых при диммировании с использованием вывода DIM (сверху), и при подключении шунтирующего транзистора (внизу). В обоих случаях выходная емкость равнялась 10 нФ. Шунтирующий MOSFET транзистор типа Si3458.

При шунтировании тока светодиодов, управляемых преобразователями со стабилизаций тока, надо учитывать возможность возникновения бросков тока при включении MOSFET транзистора. В семействе драйверов светодиодов LM340x предусмотрено управление временем включения преобразователей, что позволяет решить проблему выбросов. Для сохранения максимальной скорости включения/выключения емкость между выводами светодиода должна быть минимальной.

Существенным недостатком быстрого ШИМ-диммирования, по сравнению с методом модуляции выхода преобразователя, является снижение КПД. При открытом шунтирующем приборе на нем рассеивается мощность, выделяющаяся в виде тепла. Для снижения таких потерь следует выбирать MOSFET транзисторы с минимальным сопротивлением открытого канала RDS-ON.

Многорежимный диммер LM3409

National Semiconductor выпускает уникальный многорежимный драйвер светодиодов LM3409, предназначенный как для аналогового, так и ШИМ регулирования яркости. Диммирование может осуществляться одним из четырех способов:

  1. Аналоговое регулирование прямой подачей напряжения 0 … 1.24 В на вывод IADJ.
  2. Аналоговое регулирование с помощью потенциометра, подключенного между выводом IADJ и «землей».
  3. ШИМ регулирование с помощью вывода EN.
  4. ШИМ регулирование с помощью шунтирующего MOSFET транзистора.

На Рисунке 5 показана схема включения LM3409 для управления яркостью с помощью потенциометра. Внутренний источник тока 5 мкА создает падение напряжения на сопротивлении RADJ, которое, в свою очередь, влияет на внутренний порог схемы измерения тока светодиода. С точно таким же эффектом можно управлять микросхемой, непосредственно подавая постоянное напряжение на вывод IADJ.

Рисунок 5. Аналоговое управление яркостью.

Рисунок 6 демонстрирует зависимость измеренного тока светодиода от сопротивления включенного между IADJ и «землей» потенциометра. Плато на уровне 1 А в верхней части графика определяется величиной показанного на Рисунке 4 резистора RSNS, задающего максимальный номинальный ток светодиода.

Рисунок 6. Зависимость тока светодиода от сопротивления потенциометра.

На Рисунке 7 изображена зависимость измеренного тока светодиода от постоянного напряжения, приложенного к выводу IADJ. Заметим, что максимальный ток здесь также определяется величиной RSNS.

Рисунок 7. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ.

Обе аналоговые технологии диммирования просты в реализации и позволяют с очень высокой линейностью регулировать яркость свечения, вплоть до уровня 10% от максимума.

Заключение

Регулировать яркость свечения светодиодов, питающихся от импульсных преобразователей, можно различными способами. Для каждого из двух основных методов, ШИМ и аналогового, характерны свои достоинства и недостатки. Ценою использования дополнительной логики, ШИМ регулирование значительно уменьшает вариации цвета светодиода при изменении яркости. Схемотехника аналогового диммирования проще, но неприменима там, где требуется поддержания постоянной цветовой температуры.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Диммирование светодиодных светильников

Диммирование представляет собой процесс управления интенсивностью освещения при помощи специальных устройств, которые называют диммерами или светорегуляторами. Впервые изменение яркости света было использовано в 19 веке во время театрального представления. Тогда еще не было ламп с диммерами, а для получения необходимого эффекта использовались обычные темные шторы, которыми и прикрывали осветительные приборы.

Читайте также:  Камминз 6isbe210 регулировка клапанов

Зачем управлять светом?

Регулировка света актуальна не только для театров. В обычной жизни диммирование светодиодных светильников применяется при разработке светотехнических проектов для дома, выставочных центров, ресторанов и баров, художественных студий и картинных галерей.

Это удобная и практичная функция, так как буквально за несколько секунд можно легко изменить световой сценарий, не прибегая к замене осветительных приборов или перепланировке самой системы освещения. Кроме того, диммер для светодиодных светильников позволяет:

  • продлить срок службы спотов;
  • уменьшить выделение тепла от осветительных приборов;
  • сократить расход электроэнергии.

При изменении интенсивности света индекс цветопередачи прибора сохраняется на установленном производителем уровне, поэтому даже при уменьшении яркости лампы пользователь получает качественный свет.

Регулирование цветовой температуры

Новшеством на рынке светотехники являются диммеры светодиодных светильников, которые позволяют менять цветовую температуру спотов. Светорегуляторы полностью раскрывают потенциал LED прожекторов, позволяют создать многофункциональную динамичную систему освещения, с которой в одном помещении можно провести семинар, показ мод или психологический тренинг.

Не все светодиодные лампы и прожекторы могут использоваться со светорегуляторами. Если проектом предусмотрена установка диммеров, то приобретать надо осветительные приборы с отметкой «DIMMABLE». Качественные диммируемые LED светильники для организации освещения в помещениях различного типа представлены в каталоге нашего интернет-магазина GreenLED. При необходимости мы поможем подобрать осветительные приборы и сделать светотехнический расчет,

Стандарты и протоколы для управления светом

Существует несколько протоколов, согласно которым выполняется диммирование светодиодных светильников:

Протокол TRIAC отличается надежностью и простотой монтажа. Устройство для диммирования представляет собой симистор или симметричный триодный тиристор. Симистор проводит ток в обе стороны, поэтому его можно использовать для установки на сеть и с переменным, и с постоянным током.

Источник

Как регулировать яркость светодиодной лампы — какой выключатель с диммером лучше выбрать

Светодиодные источники света являются современными, экономичными и эффективными. Для регулирования яркости и уровня освещенности в лампе есть специальное устройство – диммер. Регулирование подсветки позволяет экономить энергию и создавать разную атмосферу в помещении.

Принцип работы и конструкция

Диммер – это элемент, позволяющий плавно менять интенсивность искусственного освещения, включать и выключать лампочки, удаленно управлять светом. Регулировка осуществляется за счет изменения напряжения и, соответственно, мощности прибора. Это можно сделать путем добавления нагрузки – балластных резисторов, конденсаторов, дросселей. В светодиодных лампах регулировка производится с помощью диммеров.

Не к каждому светодиодному источнику света можно подключить диммер. Для стабильной регулировки освещения нужны специальные регуляторы или устройства с ШИМ функцией. К лампочке важно подобрать правильный регулятор, так как от его схемотехники будет зависеть качество изменения освещения.

Работает диммер по типу реостата. Напряжение или ток меняются в результате изменения сопротивления. Сейчас активно используются полупроводниковые регуляторы – симисторы и динисторы, работающие по принципу ШИМ.

  • создание комфортного освещения в любое время суток;
  • экономия электроэнергии;
  • надежность;
  • плавное включение;
  • можно управлять несколькими светильниками;
  • повышение срока службы осветительных приборов;
  • легкость монтажа;
  • возможность синхронизации с системой «умный дом»;
  • создание уникальных визуальных эффектов.

Экономия электричества – это важнейшее достоинство диммируемых устройств перед обычными источниками света. С помощью регулирования уровня света лампа не будет гореть все время на полную мощность и, соответственно, потреблять большой объем электроэнергии. Такое использование приводит и к увеличению срока службы светильника.

  • высокая стоимость;
  • неправильный выбор регулятора грозит возникновением неисправностей;
  • дешевые приборы могут вызвать помехи;
  • чувствительность к повышенным температурам;
  • низкий КПД в ночном режиме.

Регуляторы на 220 В и 12 В имеют конструктивные отличия. Простейшие механизмы, которые мастера могут сделать в домашних условиях, выполняют функцию изменения интенсивности света. Современные модели имеют более широкий функционал – например, функция «Сон», при которой яркость поддерживается на уровне 30% от полной. Также есть функция «доброе утро», когда интенсивность увеличивается, или «спокойной ночи», когда свет становится более приглушенным.

Диммеры являются важной составляющей системы «умный дом». Важной функцией регуляторов является система аварийного освещения. При работе от аккумулятора или батареи ресурс работы увеличивается за счет уменьшения яркости.

Разновидности диммеров

Классификация регуляторов производится по разным признакам: тип напряжения в цепи, вид управляющего сигнала, способ монтажа, исполнение.

По напряжению в сети регуляторы света можно разделить на две группы:

  • для переменного напряжения 220 В;
  • для постоянного напряжения на LED ленту 12 В.

По виду управляющего сигнала различают диммеры для светодиодов:

По способу установки выделяется несколько типов:

  • модульные, которые монтируются в специальную DIN рейку в распределительном щитке;
  • выносные, которые монтируются в люстру;
  • настенные, которые устанавливаются вместо выключателя.

По способу управления:

  • поворотные – регулировка осуществляется с помощью ручки;
  • клавишные – управление производится кнопками;
  • поворотно-нажимные – регулирование производится с помощью нажатия на кнопки и поворота ручки;
  • сенсорные – модели с различными датчиками;
  • дистанционные – управляются пультом через Wi-Fi, радиоканал или инфракрасный порт.

Самыми дорогими являются сенсорные световые регуляторы. Это современные устройства, которые могут управляться голосовыми командами, движениями, хлопками.

Критерии выбора

Светодиодные источники света могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Это нужно учитывать при покупке. Регуляторы должны выбираться с учетом следующих аспектов:

  • Возможность регулировки источника света. Нельзя ставить диммер на нерегулируемую светодиодную лампу. Это приведет к поломке, на которую не распространяется гарантийное обслуживание.
  • Количество источников света, которыми будет управлять диммер. Для одной лампочки достаточно приобрести регулятор низкого напряжения.
  • Мощность лампочки и минимальный уровень нагрузки диммера. Для большинства регуляторов минимальная нагрузка составляет 20-45 Вт. Добиться такой мощности можно с помощью 2-3 светодиодных ламп, подключенных к сети 220 В.
  • Общая нагрузка на устройства. Мощность диммера должна превышать примерно на 30% общую подключаемую нагрузку.
  • Напряжение. Для ламп нужен диммер, работающий с сетью 220 В, а для лент – на 12 В или любой ШИМ регулятор.

При выборе регулятора нужно отдавать предпочтение проверенным известным брендам. К ним относятся Schneider Electric, Legrand, Makel, АВВ и другие. Некачественный товар неизвестного происхождения может привести к поломке лампы. Также брать устройства нужно в специализированных магазинах. Там продавец поможет с выбором диммера, даст советы по подключению и расскажет об условиях гарантии.

Расчет максимального количества ламп

Общее число лампочек выбирается, исходя из предельной мощности диммера. Расчет производится с учетом типа помещения, вида ламп.

Читайте также:  Карбюратор к 33в регулировка

Для расчета нужно разделить предельную величину регулятора на мощность одной лампочки. Полученное значение – это количество подключаемых источников света. В расчете при подключении к электросети 220 В максимальную мощность светорегулятора нужно разделить на 10, а затем снова разделить на нагрузку светодиодного источника.

Способ регулировки освещенности

Диммеры переменного тока различаются не только исполнением, но и способом регулировки. К ним относятся:

  • диммер с отсечкой по переднему фронту;
  • с отсечкой по заднему фронту.

Первые – самые дешевые и простые устройства. На нагрузку подается остаток полуволны, ее первая половина срезается. При включении возникают помехи, которые могут помешать работе бытовых устройств. Такие диммеры используются для специальных светодиодных ламп. Понять, подходит ли лампочка, можно по надписям на упаковке.

Второй тип подходит под большее число ламп и работает без помех. Регулировка проводится лучше, но в определенном диапазоне не с нуля.

В отдельную группу выносятся светильники со встроенной регулировкой яркости. Они имеют в своем составе светодиодную матрицу, драйвер, колбу и сам регулятор. Дополнительные диммеры устанавливать для таких осветительных устройств не нужно.

Самостоятельная установка регулятора

Установку диммера для светодиодных ламп 220 В можно выполнить самостоятельно. Мастер должен иметь минимальные знания в области электроприборов и соблюдать технику безопасности.

Пошаговый алгоритм установки:

  • Отключение электричества в доме. Проверка наличия напряжения с помощью индикатора.
  • Изучение схемы диммера.
  • Ослабление болтов, установка контактов регулятора в разъемы цепи. Важно не перепутать провода и соблюдать их маркировку. Обычно белый – это фаза, а синий подключается к нагрузке.
  • Зажатие болтов после установки для обеспечения хорошего контакта.
  • Установка диммера в подрозетник.
  • Монтаж защитного корпуса и кнопки.

После можно включать электричество и тестировать собранную систему. По плавному изменению подсветки можно судить, что сборка проведена корректно.

Монтаж может незначительно отличаться для разных типов диммеров и устройств от разных фирм. Обязательно следует читать инструкцию, идущую в комплекции.

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.

Самостоятельное изготовление диммера

Простейший регулятор можно собрать своими руками. Для этого потребуется:

  • постоянный и переменный резисторный элемент;
  • неколярный конденсатор;
  • симистор;
  • медный провод;
  • динистор;
  • текстолитовая плата;
  • паяльник.

Все электронные компоненты нужно установить на плате по схеме диммера: при поступлении тока с резисторного элемента на конденсатор будет происходить зарядка и подаваться напряжение на лампу. Компоненты нужно соединить между собой при помощи пайки. На плате нужно сделать отверстия, которые будут служить в качестве выводов. После сборки нужно провести тестирование собранного диммера.

Источник