Диммирование LED-лент и ламп постоянного тока (12 вольт).
Регулируем свет. Часть 3
erid:2VtzqwMhE44 В предыдущей статье мы разобрались в принципе работы диммеров переменного тока 220 В, чем отличаются LED-диммеры от классических моделей и какие бывают типы среза фазы питающего напряжения. Такие устройства очень универсальны и нашли своё применение не только, как светорегуляторы, но и как регуляторы мощности для различных нагревателей и двигателей.
Однако для светодиодных лент, ламп и других устройств, работающих от постоянного тока, они не подойдут. Здесь нужен другой подход к управлению мощностью приборов — ШИМ-регулирование.
Описанное в статье подходит для любых цепей постоянного тока, среди самых распространённых в светотехнике — 12, 24 и 36 вольт.
Как регулировать постоянное напряжение
В общем-то, способы измерения величины постоянного напряжения похожи на то, как это делается в рассмотренном ранее переменном.
Напомним, величину действующего напряжения переменного тока, мы можем изменять, влияя как на его амплитуду, так и на его форму, включая или отключая источник питания в подходящие моменты. Однако в цепи переменного тока, напряжение плавно изменяется от нуля до амплитудного значения в 310 вольт, при этом 100 раз в секунду пересекает нулевую отметку, изменяя полярность.
Постоянное напряжение (DC) не изменяет полярность, а если оно еще и стабилизированное, то и его величина тоже не изменяется. На графике такое напряжение выглядит как прямая линия.
График напряжения постоянного тока
Напомним пример с линейным регулятором — реостатом подсветки в автомобиле.
На входе мы видим полное напряжение бортовой сети автомобиля, около 14,5 вольт, а на выходе реостата оно понижается, в зависимости от положения регулятора. Но его форма не изменяется, это все та же ровная линия, но расположенная ниже по уровню графика — 10, 7, 3 вольта. Но это, как мы уже говорили, совсем неэффективный способ регулировки, ведь разница напряжений на входе и выходе выделяется в виде тепла.
Линейный регулятор в цепи постоянного тока
Такой способ регулировки, так же как и в переменном токе, подходит для коллекторных двигателей и любых резистивных приборов: ламп накаливания, галогенных ламп и нагревательных элементов.
Ток через такие потребители начинает протекать сразу и при любом напряжении больше нуля, в отличие от светодиода.
Протекающий ток начинает нагревать спираль лампы, и она раскаляется. Если продолжить увеличивать напряжение, то ток будет дальше расти и нагревать спираль сильнее, отчего она будет светить все ярче и ярче, пока не расплавится.
Ток через светодиод начнет протекать не сразу, а только после того, как напряжение на его выводах достигнет порогового значения. Это значение зависит от материала кристалла светодиода. От этого зависит и цвет его свечения. Как только начнет протекать ток, светодиод засветится. Чем больший ток протекает через светодиод, тем ярче он будет. Пример на графике ниже:
График зависимости светового потока от тока
Итак, ток изменяется значительно сильнее, чем изменяется питающее напряжение. Мы подробно рассматривали этот вопрос, в цикле статей о питании светодиодов. Если кратко, то светодиод работает в широком диапазоне токов — от нуля до предельно допустимых значений, но при этом он работает в очень узком диапазоне напряжений (выделено светло-серым прямоугольником на иллюстрации ниже).
Иллюстрация из статьи про ВАХ
Таким образом, мы не можем регулировать яркость светодиодов, просто изменяя напряжение от нуля до максимального. В нижнем диапазоне мы ничего не получим, а на максимальных значениях можем сжечь светодиоды.
Чтобы избежать выхода из строя, для ограничения тока маломощных светодиодов используют резисторы. Это решение используется на всех светодиодных лентах и бюджетных маломощных лампочках. Резистор рассчитывают так, чтобы при номинальном напряжении питания светодиод работал в номинальном или другом безопасном режиме.
Так как для свечения нужно приложить к выводам светодиода какое-то пороговое или минимальное напряжение, нам доступны два варианта регулирования его яркости:
1. Изменять напряжение питания в диапазоне от этого минимального значения до максимального. Такой способ используется в регуляторах, управляющих силой тока, а не напряжением.
2. Включать и выключать напряжение питания с определенной частотой, подобно тому, как это делал диммер переменного тока. Этот способ дешевле, проще и популярнее.
Спирали лампы накаливания нужно какое-то время, чтобы нагреться и остыть. Благодаря этой инерционности, мы практически не замечаем пульсации светового потока в моменты включения и выключения напряжения при регулировании срезом фазы.
Представим, что мы сможем импульсами подавать полное напряжение источника питания на светодиод.
Во-первых, напряжения будет достаточно для протекания тока через светодиод, и он будет светиться. Нам нужно будет только ограничить ток через него любым возможным способом: через резистор, линейные стабилизаторы или если регулятор сам будет следить за силой тока (обратная связь).
Во-вторых, мы будем видеть, что яркость светодиода будет изменяться в зависимости от длительности импульса питающего напряжения.
Светодиод — гораздо более быстродействующий и менее инерционный прибор, чем лампа накаливания. Он быстрее загорается до полной яркости и гаснет. Но все же это происходит не мгновенно, к тому же у человеческого глаза тоже есть определенная инерционность, поэтому включение и выключение питания светодиода с большой частотой мы также не будем замечать полного исчезновения свечения. Зато мы будем замечать общее изменение яркости свечение.
Что такое ШИМ
Мы плавно подошли к основному способу регулирования напряжения постоянного тока — ШИМ-регулированию.
ШИМ расшифровывается как «широтно-импульсное модулирование». Из названия можно догадаться, что в этом способе регулирования величина напряжения моделируется шириной его импульсов и пауз между ними.
Три основных факта о ШИМ, которые полезно знать:
1. В этом способе полное напряжение питания подается на нагрузку импульсами с определенной частотой.
2. Расстояние между началами импульсов называется периодом. Частота — это количество периодов в секунду.
3. Расстояние от конца одного импульса до начала следующего называется паузой.
4. Величина напряжения зависит от соотношения длины импульса (tи) к периоду (T), это соотношение также называется коэффициентом заполнения сигнала (duty cycle), измеряется процентах.
5. Чем больше коэффициент заполнения, тем выше напряжение на выходе регулятора и ближе к напряжению источника питания. При коэффициенте заполнения 100% импульсы отсутствуют, напряжение подается на нагрузку непрерывно, а его величина на входе и выходе регулятора одинаковая или очень близкая.
ШИМ-регулирование наглядно
Если длина импульса равна половине периода, а вторую половину периода было отключено, то среднее напряжение на нагрузке будет половиной от напряжения питания.
Если импульс равен трети периода, а пауза длилась две трети период, то напряжение нагрузки будет равно трети напряжения питания.
Говоря простым языком, при ШИМ-регулировании величина напряжения на нагрузке — это среднеарифметическое от суммы длительностей всех импульсов.
Формирование напряжений при ШИМ-регулировании для коэффициента заполнения 75%, 50% и 25%
Подведем итоги
Мы разобрались со способами регулирования напряжения в цепях постоянного тока. ШИМ-регулирование нашло повсеместное применение в современной электронике, именно по такому принципу работают все диммеры для светодиодных лент и ламп, работающих от 12, 24 и 36 вольт постоянного тока.
Таким же способом обеспечивается стабильное выходное напряжение или ток на всех современных блоках питания и светодиодных драйверах.
В следующей статье цикла мы рассмотрим практическое применение диммеров на реальных примерах.
RVElektro официальная страница
Диммирование LED-лент и ламп постоянного тока (12 вольт).
Регулируем свет. Часть 3erid:2VtzqwMhE44
В предыдущей статье мы разобрались в принципе работы диммеров переменного тока 220 В, чем отличаются LED-диммеры от классических моделей и какие бывают типы среза фазы питающего напряжения. Такие устройства очень универсальны и нашли своё применение не только, как светорегуляторы, но и как регуляторы мощности для различных нагревателей и двигателей.
Однако для светодиодных лент, ламп и других устройств, работающих от постоянного тока, они не подойдут. Здесь нужен другой подход к управлению мощностью приборов — ШИМ-регулирование.
Описанное в статье подходит для любых цепей постоянного тока, среди самых распространённых в светотехнике — 12, 24 и 36 вольт.
Как регулировать постоянное напряжение
В общем-то, способы измерения величины постоянного напряжения похожи на то, как это делается в рассмотренном ранее переменном.Напомним, величину действующего напряжения переменного тока, мы можем изменять, влияя как на его амплитуду, так и на его форму, включая или отключая источник питания в подходящие моменты. Однако в цепи переменного тока, напряжение плавно изменяется от нуля до амплитудного значения в 310 вольт, при этом 100 раз в секунду пересекает нулевую отметку, изменяя полярность.
Постоянное напряжение (DC) не изменяет полярность, а если оно еще и стабилизированное, то и его величина тоже не изменяется. На графике такое напряжение выглядит как прямая линия.
На входе мы видим полное напряжение бортовой сети автомобиля, около 14,5 вольт, а на выходе реостата оно понижается, в зависимости от положения регулятора. Но его форма не изменяется, это все та же ровная линия, но расположенная ниже по уровню графика — 10, 7, 3 вольта. Но это, как мы уже говорили, совсем неэффективный способ регулировки, ведь разница напряжений на входе и выходе выделяется в виде тепла.
Ток через такие потребители начинает протекать сразу и при любом напряжении больше нуля, в отличие от светодиода.
Протекающий ток начинает нагревать спираль лампы, и она раскаляется. Если продолжить увеличивать напряжение, то ток будет дальше расти и нагревать спираль сильнее, отчего она будет светить все ярче и ярче, пока не расплавится.
Ток через светодиод начнет протекать не сразу, а только после того, как напряжение на его выводах достигнет порогового значения. Это значение зависит от материала кристалла светодиода. От этого зависит и цвет его свечения. Как только начнет протекать ток, светодиод засветится. Чем больший ток протекает через светодиод, тем ярче он будет. Пример на графике ниже:
Таким образом, мы не можем регулировать яркость светодиодов, просто изменяя напряжение от нуля до максимального. В нижнем диапазоне мы ничего не получим, а на максимальных значениях можем сжечь светодиоды.
Чтобы избежать выхода из строя, для ограничения тока маломощных светодиодов используют резисторы. Это решение используется на всех светодиодных лентах и бюджетных маломощных лампочках. Резистор рассчитывают так, чтобы при номинальном напряжении питания светодиод работал в номинальном или другом безопасном режиме.
Так как для свечения нужно приложить к выводам светодиода какое-то пороговое или минимальное напряжение, нам доступны два варианта регулирования его яркости:
1. Изменять напряжение питания в диапазоне от этого минимального значения до максимального. Такой способ используется в регуляторах, управляющих силой тока, а не напряжением.
2. Включать и выключать напряжение питания с определенной частотой, подобно тому, как это делал диммер переменного тока. Этот способ дешевле, проще и популярнее.
Спирали лампы накаливания нужно какое-то время, чтобы нагреться и остыть. Благодаря этой инерционности, мы практически не замечаем пульсации светового потока в моменты включения и выключения напряжения при регулировании срезом фазы.
Представим, что мы сможем импульсами подавать полное напряжение источника питания на светодиод.
Во-первых, напряжения будет достаточно для протекания тока через светодиод, и он будет светиться. Нам нужно будет только ограничить ток через него любым возможным способом: через резистор, линейные стабилизаторы или если регулятор сам будет следить за силой тока (обратная связь).Во-вторых, мы будем видеть, что яркость светодиода будет изменяться в зависимости от длительности импульса питающего напряжения.
Светодиод — гораздо более быстродействующий и менее инерционный прибор, чем лампа накаливания. Он быстрее загорается до полной яркости и гаснет. Но все же это происходит не мгновенно, к тому же у человеческого глаза тоже есть определенная инерционность, поэтому включение и выключение питания светодиода с большой частотой мы также не будем замечать полного исчезновения свечения. Зато мы будем замечать общее изменение яркости свечение.
Что такое ШИМ
Мы плавно подошли к основному способу регулирования напряжения постоянного тока — ШИМ-регулированию.ШИМ расшифровывается как «широтно-импульсное модулирование». Из названия можно догадаться, что в этом способе регулирования величина напряжения моделируется шириной его импульсов и пауз между ними.
Три основных факта о ШИМ, которые полезно знать:
1. В этом способе полное напряжение питания подается на нагрузку импульсами с определенной частотой.
2. Расстояние между началами импульсов называется периодом. Частота — это количество периодов в секунду.
3. Расстояние от конца одного импульса до начала следующего называется паузой.
4. Величина напряжения зависит от соотношения длины импульса (tи) к периоду (T), это соотношение также называется коэффициентом заполнения сигнала (duty cycle), измеряется процентах.
5. Чем больше коэффициент заполнения, тем выше напряжение на выходе регулятора и ближе к напряжению источника питания. При коэффициенте заполнения 100% импульсы отсутствуют, напряжение подается на нагрузку непрерывно, а его величина на входе и выходе регулятора одинаковая или очень близкая.
Если импульс равен трети периода, а пауза длилась две трети период, то напряжение нагрузки будет равно трети напряжения питания.
Говоря простым языком, при ШИМ-регулировании величина напряжения на нагрузке — это среднеарифметическое от суммы длительностей всех импульсов.
Подведем итоги
Мы разобрались со способами регулирования напряжения в цепях постоянного тока. ШИМ-регулирование нашло повсеместное применение в современной электронике, именно по такому принципу работают все диммеры для светодиодных лент и ламп, работающих от 12, 24 и 36 вольт постоянного тока.Таким же способом обеспечивается стабильное выходное напряжение или ток на всех современных блоках питания и светодиодных драйверах.
В следующей статье цикла мы рассмотрим практическое применение диммеров на реальных примерах.
Посетите наш сайт:
http://rvelektro.ruНе забывайте подписываться на наши группы и каналы в социальных сетях: Яндекс Дзен, ВКонтакте, Телеграм, Одноклассники, Youtube.
Реклама ООО "РВЭ" ИНН 7724360868