Регулировка яркости источников света применяется, для создания комфортной освещенности помещения или рабочего места. Регулировка яркости возможна устройство нескольких цепей, которые включаются отдельными выключателями. В таком случае вы получите ступенчатое изменение освещенности, а также отдельные светящиеся и выключенные лампы, что может вызвать неудобства.
Стильные и актуальные дизайнерские решения включают в себя плавную регулировку общей освещенности при условии свечения всех ламп. Это позволяет создать как интимную обстановку для отдыха, так и яркую для торжеств или работы с мелкими деталями.
Ранее, когда основными источниками света были лампы накаливания и точечные светильники с галогенными лампами проблем с регулировкой не возникало. Использовался обычный 220В диммер на симисторе (или тиристорах). Который обычно был в виде выключателя, с поворотной ручкой вместо клавиш.
С приходом энергосберегающих (компактных люминесцентных ламп), а потом и светодиодных такой подход стал невозможен. В последнее же время подавляющее большинство источников света – это светодиодные светильники и лампочки, а лампы накаливания запрещены для использования в осветительных целях во многих странах.
Занятно то, что на упаковке от отечественных ламп накаливания сейчас указывают что-то вроде: «Электрический теплоизлучатель».
В этой статье вы узнаете о принципе регулирования яркости светодиодов, а также о том, как это выглядит на практике.
Теория
Любой полупроводниковый диод – это электронный прибор, который пропускает ток в одном направлении. При этом протекание тока не имеет линейно зависимости от приложенного напряжения, скорее она напоминает ветвь параболы. Это значит, что когда вы к светодиоду приложите малое напряжение – ток протекать не будет.
Ток через него протечет только в том случае, когда напряжение на диоде превысит пороговое значение. Для обычных выпрямительных диодов оно лежит в пределах от 0.3В до 0.8В в зависимости от материала из которого сделан диод. Кремниевые диоды берут на себя около 0.7В, германиевые 0.3В. Диоды Шоттки порядка 0.3В.
Светодиод не стал исключением. Пороговое напряжение белого светодиода около 3В, вообще оно зависит от полупроводника из которого он сделан, от этого зависит и цвет его свечения. Так, на красном светодиоде напряжение около 1.7 В. При достижении этого напряжения начнет протекать ток, и светодиод начнет светиться. Ниже вы видите вольтамперную характеристику светодиода.
Яркость свечения светодиода зависит от силы тока через него. Это отражено на графике ниже.
Яркость идеального теоретического светодиода линейно зависит от тока, но в реальности дела несколько отличаются. Это связано с дифференциальным сопротивлением диода и его тепловыми потерями.
Светодиод – прибор, который питается током, а не напряжением. Соответственно, для регулировки его яркости нужно изменять силу тока.
Разумеется, что сила тока зависит от приложенного напряжения, но как вы можете судить из первого графика, даже незначительное изменение напряжения влечет за собой несоизмеримое увеличение тока.
Поэтому регулирование яркости с помощью простого реостата – занятие бесполезное. В такой схеме, при уменьшении сопротивления реостата светодиод внезапно загорится, а после его яркость незначительно возрастет, далее, при чрезмерном приложенном напряжении, он начнет сильно греется и выйдет из строя.
Отсюда выходит задание: Регулировать ток при определенном значении напряжения с незначительным его изменением.
Первое что приходит в голову это использовать биполярный транзистор, ведь его выходной ток (коллектора) зависит от входного тока (базы), включенного по схеме общего коллектора. Мы уже рассматривали их работу в большой статье о биполярных транзисторах.
Вы изменяете ток базы изменяя падение напряжения на переходе эмиттер-база с помощью потенциометра R2, резисторы R1 и R3 нужны для ограничения тока при максимально открытом транзисторе рассчитываются исходя из формулы:
R=(Uпитания-Uпадения на светодиодах-Uпадения на транзисторе)/Iсвет.ном.
Эту схему я проверял, она неплохо регулирует ток через светодиоды и яркость свечения, но заметна некоторая ступенчатость на определенных положениях потенциометра, возможно это связано с тем, что потенциометр был логарифмическим, а возможно из-за того что любой pn-переход транзистора это тот же диод с такой же ВАХ.
Лучше для этой задачи подойдет схема стабилизатора тока на регулируемом стабилизаторе LM317, хотя её чаще применяют в роли стабилизатора напряжения.
Её можно и использовать для получения фиксированного тока при постоянном напряжении. Это особенно полезно при подключении светодиодов к бортовой сети автомобиля, где напряжение в сети при заглушенном двигателе около 11.7-12В, а при заведенном доходит до 14.7В, разница более чем в 10%. Также отлично работает и при питании от блока питания.
Этот способ не отличается высоким КПД, он зависит от разницы напряжений между входом стабилизатора и его выходом. Всё напряжение «сгорает» на LM-ке. Потери мощности здесь определяются по формуле:
Чтобы повысить эффективность работы регулятора, нужен кардинально другой подход – импульсный регулятор или ШИМ-регулятор.
Способы регулирования яркости: ШИМ-регулировка
ШИМ расшифровывается, как «широтно-импульсная модуляция». В её основе лежит включение и выключение питания нагрузки на высокой скорости. Таким образом, мы получаем изменение тока через светодиод, поскольку каждый раз на него подается полное напряжение, необходимое для его открытия. Он быстро включается и отключается на полную яркость, но из-за инерционности зрения мы этого не замечаем и это выглядит как снижение яркости.
При таком подходе источник света может выдавать пульсации, не рекомендуется использовать источники света с пульсациями более 10%. Подробные значения для каждого вида помещений описаны в СНИП-23-05-95 (или 2010).
Работа под пульсирующим светом вызывает повышенную утомляемость, головные боли, а также может вызвать стробоскопический эффект, когда вращающиеся детали кажутся неподвижными. Это недопустимо при работе на токарных станках, с дрелями и прочим.
Схем и вариантов исполнения ШИМ-регуляторов великое множество, поэтому все их перечислять бессмысленно. Простейший вариант – это собрать ШИМ-контроллер на базе микросхемы-таймера NE555. Это популярная микросхема. Ниже вы видите схему такого светодиодного диммера:
А вот фактически это одна и та же схема, разница в том, что здесь исключен силовой транзистор и она подходит для регулировки 1-2 маломощных светодиодов с током в пару десятков миллиампер. Также из неё исключен стабилизатор напряжения для 555-микросхемы.
Как регулировать яркость светодиодных ламп на 220В
Ответ на этот вопрос простой: обычные светодиодные лампы практически не регулируются – т.е. никак. Для этого продаются специальные диммируемые светодиодные лампы, об этом написано на упаковке или нарисован значок диммера.
Пожалуй, самый широкий модельный ряд диммируемых светодиодных ламп представлен у фирмы GAUSS – разных форм, исполнений и цоколей.
Почему нельзя диммировать светодиодные лампы 220В
Дело в том, что схема питания обычных светодиодных ламп построена либо на базе балластного (конденсаторного) блока питания. Либо на схеме простейшего импульсного понижающего преобразователя первого рода. 220В диммеры в свою очередь просто регулируют действующее значение напряжения.
Различают такие диммеры по фронту работы:
1. Диммеры срезающие передний фронт полуволны (leading edge). Именно такие схемы чаще всего встречаются в бытовых регуляторах. Вот график их выходного напряжения:
2. Диммеры срезающие задний фронт полуволны (Falling Edge). Различные источники утверждают, что такие регуляторы лучше работают как с обычными, так и с диммируемыми светодиодными лампами. Но встречаются они гораздо реже.
Обычные светодиодные лампы практически не будут изменять яркость с таким диммером, к тому же это может ускорить их выход из строя. Эффект такой же, как и в схеме с реостатом, приведенной в предыдущем разделе статьи.
Стоит отметить, что большинство дешевых регулируемых LED-ламп ведут себя точно также, как и обычные, а стоят дороже.
Регулировка яркости светодиодных ламп – рациональное решение 12В
Светодиодные лампы на 12В широко распространены в цоколях для точечных светильников, например G4, GX57, G5.3 и другие. Дело в том, что зачастую в этих лампах отсутствует схема питания как таковая. Хотя в некоторых установлен на входе диодный мост и фильтрующий конденсатор, но это не влияет на возможность регулирования.
Это значит, что можно регулировать такие лампочки с помощью ШИМ-регулятора.
Таким же образом, как и регулируют яркость LED-ленты. Простейший вариант регулятора, вот такой вот на проводках, в магазинах они обычно называются как: «12-24В диммер для светодиодной ленты».
Они выдерживают, в зависимости от модели, порядка 10 Ампер. Если вам нужно использовать в красивой форме, т.е. встроить вместо обычного выключателя, то в продаже можно найти такие сенсорные 12В диммеры, или варианты с вращающейся ручкой.
Вот пример использования такого решения:
Ранее применялись галогеновые лампы на 12В их питали от электронных трансформаторов, и это было отличным решением. 12 вольт – это безопасное напряжение. Чтобы запитать эти лампы на 12В электронный трансформатор не подойдет, нужен блок питания для светодиодных лент. В принципе, переделка освещения с галогеновых на светодиодные лампы в этом и заключается.
Заключение
Самым разумным решением регулирования яркости светодиодного освещения является использовании 12В ламп или светодиодных лент. При понижении яркости возможно мерцание света, для этого можно попробовать использовать другой драйвер, а если вы делаете шим-регулятор своими руками – увеличить частоту ШИМ.
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". 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.
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.
Благодаря своему удобству и универсальности светодиодные ленты стали практически незаменимыми при обустройстве самых разных систем освещения. Из них можно создавать сложные конфигурации для оформления интерьеров и экстерьеров, фоновой подсветки витрин, декоративных инсталляций и дизайнерского оформления стендов. При этом специализированные системы управления позволяют регулировать яркость освещения и даже создавать динамические спецэффекты.
Многим кажется, что дополнительное оборудование создаёт сложности в монтаже и требует специальных знаний. Действительно, в отличие от светодиодных ламп, здесь приходится самостоятельно подбирать и устанавливать блоки питания, диммеры и регуляторы. Однако на практике разобраться в устройстве питания и управления для диодных лент достаточно просто.
Питание светодиодных лент и управление их яркостью
Главная особенность светодиода – нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения. Рабочее напряжение типового белого светодиода – 3 В, а ток – 20 мА, и даже при незначительном превышении этих параметров, диод выходит из строя, что делает его очень требовательным к качеству источника питания, а также усложняет управление его яркостью. Чтобы обеспечить стабильность характеристик, светодиоды устанавливаются группами (обычно по 3), а последовательно с ними подключается ограничительный резистор.
Метеорит72 – лучший интернет магазин светодиодного освещения! Товары высочайшего качества, безупречный сервис, широчайший ассортимент, отличные цены, гарантия. Посмотреть продукцию >>>
К примеру, для последовательной тройки светодиодов на 3 В и 20 мА устанавливается резистор на 150 Ом (в 12-вольтовой ленте).
Когда через цепь протекает ток 20 мА, падение напряжения на резисторе составляет 3 В, но если ток возрастёт до 40 мА, на резисторе просядет уже 6 вольт. Это снижает вероятность выхода светодиодов из строя и позволяет расширить диапазон напряжений питания.
Чтобы обеспечить светодиодной ленте стабильное напряжение, применяется блок питания, рассчитанный на соответствующее напряжение (чаще всего 12 или 24 В). Не так важно, как он выполнен конструктивно. Это может быть и современный импульсный блок питания, и несколько устаревший и более громоздкий трансформаторный. Главное, чтобы он обеспечивал постоянство напряжения во всем диапазоне требуемой мощности.
С регулированием яркости всё несколько сложнее. Здесь неуместны линейные тиристорные диммеры, применяемые для управления обычными лампами накаливания. Рабочий диапазон у светодиодной ленты достаточно узкий, а главное – отсутствует линейная зависимость между напряжением и яркостью. В идеале следует регулировать не напряжение, а ток, протекающий через светодиоды. Для этих целей применяются специальные драйверы, диммеры и контроллеры, которые мы и рассмотрим более подробно.
Устройства для управления яркостью светодиодной ленты
Как мы уже выяснили, классические реостаты, потенциометры и широкодиапазонные диммеры для светодиодов не подходят. В идеале устройство должно гибко управлять выдаваемой мощностью (или хотя бы током), а не напряжением. Но поскольку производители заранее не знают параметры нашей светодиодной ленты, то большинство имеющихся в продаже устройств рассчитаны на плавное регулирование напряжения в пределах 10-12 Вольт (для 12-вольтовых лент).
Для управления яркостью светодиодных лент применяются:
линейные регуляторы и стабилизаторы напряжения;
драйверы – импульсные источники питания с управляемым выходом;
диммеры – импульсные преобразователи с высоким КПД;
RGB-регуляторы – трехканальные диммеры для управления трехцветными светодиодными лентами;
RGB-усилители – устройства, управляемые внешними регуляторами, но выдающие значительно большую мощность по каждому каналу;
DMX-контроллеры – профессиональные устройства для организации эффектных световых шоу.
Указанные в первом пункте линейные регуляторы являются устаревшими и используются всё реже. При тех же мощностных показателях они очень громоздки, отличаются низким КПД и сильно греются. Остальные перечисленные устройства используют более современный принцип работы. Выходным напряжением управляет ШИМ-контроллер, что обеспечивает им очень высокий КПД (80-95%). Рассмотрим их принцип действия подробнее.
Диммеры и драйверы
Объяснить принцип действия импульсных преобразователей проще всего на примере диммера. Это компактное устройство действует по принципу импульсного преобразователя. Энергия передаётся с помощью высокочастотных импульсов, управляемых ШИМ-контроллером. При этом все участвующие в передаче элементы работают на 100% своей мощности в каждом импульсе, следовательно, их КПД максимален. Любую выходную характеристику (напряжение, ток, мощность) можно динамически регулировать, просто меняя количество импульсов.
Чем уже диапазон преобразований, тем более компактным, мощным и эффективным можно сделать устройство. Диммеры для управления яркостью светодиодных лент рассчитаны на входное напряжение 12 В и выходное – 10-12 В, благодаря чему отличаются высоким КПД и малыми размерами. При этом выдаваемая ими мощность может регулироваться в пределах от 0 до 100% от расчетной.
Драйвер представляет собой источник питания, в который уже встроен регулятор выходного напряжения. При этом не имеет значения, осуществляется ли управление непосредственно выходным напряжением преобразователя напряжения, или внутри корпуса встроен отдельный регулирующий элемент. Сегодня распространены оба типа схем, но для потребителя разница не принципиальна.
RGB-регуляторы, усилители и DMX-контроллеры
Это более сложные устройства, предназначенные для управления тремя и более каналами. По сути, они представляют собой устройства, собранные на базе диммеров. При этом RGB-регулятор позволяет менять цвет свечения трёхцветной светодиодной ленты в широких пределах. Поскольку регуляторы обычно рассчитаны на небольшую мощность, то для запитки длинных лент может потребоваться RGB-усилитель. Это специальное устройство, способное выдавать в десятки раз большую мощность, но при этом обеспечить соответствие выходных напряжений входным (управляющим).
DMX-контроллеры представляют собой профессиональные многоканальные пульты, позволяющие не только создавать комплексные инсталляции с регулируемым освещением, но и управлять сложными световыми шоу. Существуют модели, похожие на музыкальные пульты с многочисленными ручками и регуляторами. Есть также USB-модели, представляющие собой небольшие боксы, управляемые с компьютера с помощью специализированного ПО.
Управление диммерами, драйверами и регуляторами
Удобство управления – важный параметр устройств, регулирующих яркость светодиодных лент. Сегодня существует четыре основных варианта:
Стационарное управление с помощью потенциометра, расположенного непосредственно на корпусе диммера или регулятора. Такая конструкция не только проста и дешева, но и наиболее надёжна, поэтому в освещении различных складских, промышленных и прочих помещений обычно применяется именно этот вариант.
Управление дистанционным пультом. Может применяться инфракрасный пульт, который нужно направлять непосредственно на приемник, или радиочастотный передатчик, который может передавать сигнал даже из другого помещения.
Управление по Ethernet, Wi-Fi или Bluetooth. Эти технологии становятся всё популярнее, поскольку позволяют управлять освещением с телефона или компьютера даже удаленно.
Комбинированное управление. Распространены диммеры, имеющие настенное исполнение с потенциометром и снабженные при этом дополнительно электронным управлением с помощью ПДУ или по Wi-Fi.
Основным недостатком недорогих импульсных регуляторов считается мерцание. Именно по этой причине всё ещё широко применяются линейные схемы управления, отличающиеся большими габаритами и низкой эффективностью. Но совершенствование техники приводит к тому, что современные диммеры завоевывают рынок всё более уверенно. Их управляющая микросхема очень точно учитывает нелинейную ВАХ светодиода, а высокая частота работы и хорошие фильтры полностью исключают мигание.
