明るさはPWMコントローラーで調整します。低電力 LED マトリクス用 LED ドライバ IC 調光器

ノキア 18.01.2022

ノキア

この記事では、シンプルだが効果的なツールを組み立てる方法について説明します。 LEDの明るさ制御 PWM調光（）LED照明に基づいています。

LED (発光ダイオード) は非常に敏感な部品です。供給電流や供給電圧が許容値を超えた場合、故障や寿命が著しく低下する可能性があります。

通常、電流は LED と直列に接続された抵抗を使用するか、回路電流レギュレータ () によって制限されます。 LED の電流を増やすと輝度が増加し、電流を減らすと輝度が減少します。グローの明るさを制御する 1 つの方法は、可変抵抗器 () を使用して明るさを動的に変更することです。

ただし、これは単一の LED にのみ適用できます。1 つのバッチ内でも異なる光度のダイオードが存在する可能性があり、これが LED グループの不均一な輝きに影響を与えるためです。

パルス幅変調。(PWM) を適用することでグローの明るさを調整する、より効率的な方法。 PWMによりLED群に推奨電流を供給すると同時に、高周波で電力を供給することで調光が可能です。周期を変えると明るさが変わります。

デューティサイクルは、LED に供給される電源のオン時間とオフ時間の比率と考えることができます。たとえば、1 秒のサイクルを考慮し、同時に LED が 0.1 秒オフになり、0.9 秒オンになる場合、グローは公称値の約 90% になることがわかります。

PWM調光器の説明

この高周波スイッチングを実現する最も簡単な方法は、これまでに作られた中で最も一般的で最も汎用性の高い IC の 1 つである IC を使用することです。以下に示す PWM コントローラ回路は、LED (12 ボルト) に電力を供給する調光器、または 12 ボルト DC モータの速度コントローラとして使用するように設計されています。

この回路では、25mA の順電流が供給されるように LED への抵抗を調整する必要があります。その結果、3 列の LED の合計電流は 75mA になります。トランジスタの定格電流は少なくとも 75 mA である必要がありますが、余裕を持って設定することをお勧めします。

この調光回路は 5% ～ 95% で調光可能ですが、の代わりにゲルマニウムダイオードを使用することで、範囲を公称値の 1% ～ 99% に拡張できます。

さまざまな回路ソリューションが多数ありますが、ここではいくつかの PWM オプションを分析します。 LEDの明るさ制御 PICマイコンの()。

PIC10F320/322 は、さまざまな調光器を構築するのに最適です。同時に、建設に費やすコストが最も低く、建設に費やす時間もわずかで、かなり建設的に洗練されたデバイスを取得します。調光器についてはいくつかのオプションを検討してください。

最初のオプション。可変ノブを回すことで LED の明るさを 0 ～ 100% まで変化させる基本的な LED 明るさ制御

LEDの明るさは、可変抵抗器R1から電位を取り除くことによって設定されます。この可変電圧は RA0 入力に送られます。RA0 入力はアナログ入力として機能し、マイクロコントローラーの ADC の AN2 入力に接続されます。 PWM 出力 RA1 は、トランジスタ V1 の電源スイッチを制御します。

論理制御レベルを持つ任意のパワートランジスタを選択することが可能です。つまり、これらのトランジスタは、ゲートあたり 1 ～ 2 ボルトを受けるとチャネルを完全に開きます。

たとえば、必要な要件を遵守すれば、IRF7805 トランジスタで最大 13 アンペアの電流を制御することが可能で、その他の条件下では最大 5 アンペアが保証されます。コネクタ CON1 は、マイクロコントローラの回路内プログラミングにのみ必要です。同じ目的で、抵抗 R2 と R5 も必要です。つまり、マイクロコントローラがプログラムされている場合、これらの無線要素はすべて取り付けられない可能性があります。

抵抗 R4 と BAV70 は、過電圧や電源の不適切なスイッチオンから保護するために機能します。コンデンサ C1 および C2 はセラミックであり、インパルスノイズを低減し、LM75L05 スタビライザの信頼性を高めるのに役立ちます。

2 番目のオプション。こちらもLEDの明るさは可変抵抗器で制御し、オンオフはボタンで行います。

3 番目のオプション。ご覧のとおり、回路には可変抵抗器がありません。このバージョンでは、LED の明るさは 2 つのボタンによってのみ制御されます。調整は段階的に行われ、押すたびに明るさが変化します。

4 番目のオプション。基本的に 3 番目のオプションと同じですが、ボタンを押し続けると LED がスムーズに点灯します。

この記事で紹介する最も単純な LED 調光回路は、車のチューニングにうまく応用でき、たとえばインストルメントパネルやグローブボックスなどを照らすなど、夜間の車内の快適性を向上させるだけでも効果があります。この製品を組み立てるには、専門的な知識は必要ありません。慎重かつ正確に組み立ててください。
12 ボルトの電圧は人にとって完全に安全であると考えられています。 LED ストリップを作業に使用する場合、ストリップは実際には加熱せず、過熱による発火もできないため、火災に悩まされることはないと考えられます。ただし、取り付けられたデバイスの短絡や火災の結果、財産を守るためには、正確な作業が必要です。
トランジスタ T1 は、適切な領域の冷却ラジエーターに取り付けられている場合、ブランドに応じて最大 100 ワットの総電力で LED の明るさを調整できます。
トランジスタ T1 の動作は、通常の水道の蛇口やハンドル付きのポテンショメータ R1 の動作と比較できます。回せば回すほど水が流れます。それで、ここで。ポテンショメータをオフにすると、より多くの電流が流れます。それをひねると、流れが減り、LEDの輝きが減ります。

レギュレータ回路

このスキームについては、多くの詳細は必要ありません。
トランジスタ T1。 KT819はどの文字でも適用できます。 KT729。 2N5490。 2N6129。 2N6288。 2SD1761。 BD293。 BD663。 BD705。 BD709。 BD953。これらのトランジスタは、制御する LED 電力の量に応じて選択する必要があります。トランジスタの能力に応じて価格も変わります。
ポテンショメータ R1 には、3 ～ 20 キロの任意のタイプの抵抗を指定できます。 3 キロオームのポテンショメータでは、LED の輝度がわずかに低下するだけです。 10 キロオーム - ほぼゼロまで減少します。 20 - スケールの中央から調整されます。最適なものをお選びください。
LED ストリップを使用する場合、式を使用してダンピング抵抗 (R2 および R3 ダイアグラム内) をわざわざ計算する必要はありません。これらの抵抗は製造時にすでにテープに組み込まれており、必要なのは次のとおりです。 12ボルトの電圧に接続してください。 12ボルトの電圧専用のテープを購入する必要があります。テープを接続する場合は、抵抗 R2 と R3 を除外してください。
また、12 ボルト電源用に設計された LED アセンブリや自動車用 LED 電球も製造しています。これらすべてのデバイスには、製造時にクエンチング抵抗器またはパワードライバーが組み込まれ、マシンのオンボードネットワークに直接接続されます。電子機器の最初の一歩を踏み出しただけの場合は、そのようなデバイスを使用することをお勧めします。
回路のコンポーネントが決まりましたので、組み立てを開始します。

トランジスタを、熱伝導性の絶縁ガスケットを介してボルトで冷却ラジエーターに固定します（短絡を避けるために、ラジエーターと車両のオンボードネットワークの間に電気接触がないようにします）。

ワイヤーを必要な長さに切ります。

断熱材とブリキをブリキで掃除します。

LEDストリップの接点を清掃していきます。

ワイヤーをテープにはんだ付けします。

裸の接点をグルーガンで保護します。

ワイヤーをトランジスタにはんだ付けし、熱収縮チューブで絶縁します。

ワイヤをポテンショメータにはんだ付けし、熱収縮チューブで絶縁します。

MK ATmega8 用 PWM 調光器、バッテリー駆動、充電表示。

この記事は、無線エレクトロニクスに関するある程度の知識がある人、つまり次のような人を対象としています。

マイクロコントローラーとは何ですか、そしてそれをフラッシュする方法、
PWMレギュレーションとは何ですか、
LEDドライバーとは何ですか？

このプロジェクトは自転車に取り付けることを目的として考案されました。すべてはどのように始まったのか。私と友人は夜間のサイクリングによく参加していたので、自転車用のヘッドライトが必要でした。まあ、普通の懐中電灯は置きたくなかったので…もっと機能的なものが必要でした。例えば「小・中・最大」の明るさ調整が可能で、電源としてリチウムイオン電池を使用する予定だったので、充電残量表示も必要でした。インターネット上で同様のプロジェクトをたくさん見ましたが、どういうわけか私には合わなかったのです。たとえば、PWM調光器のプロジェクトを見つけましたが、充電レベルインジケーターがないか、充電レベルインジケーターが1〜3個のLEDにありましたが、私はそのような小さな情報コンテンツが好きではありませんでした。さあ、やって、やって、そして私はプロジェクトの組み立てに取り掛かりました。したがって、充電インジケータとして、次のように 10 個の LED を使用します。つまり、LED の「列」を使用します。

このLED「コラム」をオンラインストアで注文したので（私たちの街にはラジオ店がありません）、わずか数週間で到着します。代わりに普通のLEDを10個仮置きしてみました。

この MK には ADC が搭載されているため、制御マイコンとして ATmega8 (または ATmega328) を使用し、バッテリー充電レベルの測定を組織しました。また、この MK には十分な数のピンがあります (10 個もの LED を接続したいと考えています)。このマイクロコントローラーはラジオ店でよく売られており、店の好みやケースの種類にもよりますが、50 ... 100 ルーブルの範囲で比較的安価です。

デバイスがどのように動作するかを理解するために、ブロック図を見てみましょう。

この記事では、PWM コントローラー (ブロック図の左側) に関係するもののみについて説明します。LED ドライバーと LED 自体は好みに応じて、最も適したものを選択してください。 ZXSC400ドライバーが自分に合っているので例として考えてみます。

PWM コントローラーは、ZXSC400 などの調光機能 (DIM、PWM など) を持つ LED ドライバーに接続する必要があります。 PWM 輝度制御をサポートし、PWM コントローラに電力を供給するのと同じバッテリから電力を供給される限り、他の適切なドライバを使用できます。 LEDドライバーが何なのか分からない人のために説明すると、バッテリーが充電されているときとバッテリーが切れたときの両方でLEDが同じ明るさで光るようにドライバーが必要です。言い換えれば、LED ドライバーは LED に安定した電流を維持します。

ZXSC400 LED ドライバーの一般的な配線図:

この回路の電源は PWM コントローラの電源に接続する必要があり、コントローラからの PWM 出力は ZXSC400 ドライバの「STDN」入力に接続する必要があります。出力「STDN」は、PWM信号を使用して明るさを調整するだけの役割を果たします。同様の方法で、PWM コントローラーを他の多くの LED ドライバーに接続できますが、これは別の問題です。

デバイスの動作アルゴリズム。電源が投入されると、MK はバッテリーの充電レベルを 1 秒間 (10 個の LED の LED スケールで) 表示し、その後 LED スケールが消え、MK は省電力モードになり、制御コマンドを待ちます。バイクに引っ張るワイヤーを減らすために、すべてのコントロールを 1 つのボタンで行いました。ボタンを 1 秒以上押し続けると、PWM コントローラーがオンになり、デューティサイクル 30% (LED 輝度の 1/3) の信号が PWM 出力に適用されます。ボタンを再度 1 秒以上押し続けると、PWM コントローラがオフになり、信号は PWM 出力に送信されません (デューティサイクル 0%)。ボタンを短く押すと、明るさが 30% - 60% - 100% に切り替わり、バッテリー残量が 1 秒間表示されます。したがって、1 回押すと LED の明るさが変更され、長押しすると LED がオン/オフになります。 PWM コントローラーのパフォーマンスをテストするために、通常の LED をその出力に接続しましたが、パフォーマンスをテストするためだけにもう一度繰り返します。将来的には、PWM コントローラーを ZXSC400 ドライバーに接続する予定です。デバイスの操作はビデオでより詳細かつ明確に示されています (記事の最後にあるリンク)。

次の図は、明るさの調整プロセスも示しています。

これらの明るさの値が満たされない場合はどうすればよいですか? たとえば、1%、次に 5%、次に 100% のようにしたいとします。私もこのオプションを検討しました。これで、ユーザーはこれら 3 つの明るさの値を好きなように設定できるようになりました。これを行うために、必要な値に基づいて EEPROM ファームウェア用のファイルを生成する小さなプログラムを作成しました。このファイルをマイクロコントローラーにフラッシュすると、明るさが希望の明るさに応じて変化します。プログラムウィンドウのスクリーンショットを添付します。

EEPROM ファイルをフラッシュしない場合、明るさの値は「デフォルト」のままになります - 30%、60%、100%。正しく組み立てられたデバイスを構成する必要はありません。必要に応じて、最小、平均、最大の明るさのみを独自の裁量で調整できます。プログラムと使用説明は記事の最後にあります。

使用するバッテリーを選択します。普及しており、安価であるため、私はリチウムイオン電池を使用しました。ただし、回路では、電源として使用するものを選択できるジャンパー J1 を提供しました。

ジャンパ J1 が「1」の位置にある場合、リチウムイオン電池が 1 個使用されます。ジャンパ J1 が「2」の位置にある場合は、直列に接続された 3 本の通常の AAA/AA/C/D 電池が使用されます。ジャンパ J1 は、リチウムイオン電池の動作電圧が約 3.3 ～ 4.2 V の範囲にあり、従来の電池の動作電圧が約 3.0 ～であるため、電池の充電レベルを正しく表示するために必要です。 .4.5V。記事の下部にインジケーターの測定値を示したバッテリー電圧の対応表を添付しました。

インジケーター LED。バッテリーの充電レベルを表示する LED は何でも構いません。電流制限抵抗 R1 の値を変更することで、狭い範囲で明るさを調整できます。充電レベルの表示には動的表示が使用されます。これにより、一度に 1 つの LED だけが点灯するため、エネルギーの節約が実現されます。バッテリー充電レベルの表示に関するビデオもご覧いただけます (記事の最後にあるリンク)。

マイクロコントローラーは ATmega8 または ATmega328 のいずれかです。これらのマイクロコントローラはどちらも接点の位置において互換性があり、「ファームウェア」の内容のみが異なります。このMKが在庫にあったのでATmega328を使用しました。消費電力を削減するために、マイクロコントローラーは内部 1 MHz RC 発振器によって電力を供給されます。マイクロコントローラープログラムは環境 4.3.6.61 (または 4.3.9.65) で作成されました。

この回路では、TL431 基準電圧源チップを使用します。これにより、バッテリ電圧の測定精度が向上します。 TL431 への電源は、マイコンの PC1 ピンから抵抗 R3 を介して供給されます。 TL431 への供給電圧は、充電レベルの表示中にのみ発生します。表示 LED が消灯すると、供給電圧が遮断され、バッテリ電力が節約されます。 TL431 チップは、使用できないコンピュータの電源、壊れた携帯電話の充電器、ラップトップやさまざまな電子機器のスイッチング電源に使用されています。 SOIC-8 パッケージ (smd オプション) では TL431 を使用しましたが、TO-92 パッケージでは TL431 の方が一般的であるため、いくつかの PCB オプションを作成しました。

プログラム「」のエミュレーションについて。 Proteus のプロジェクトが正しく動作しません。 ATmega8 モデルはウェイクアップせず、ブレーキがあるため、ダイナミック表示が表示されます。プロジェクトを開始した後、すぐにボタンを押して PWM コントローラーをオンにすると、すべてが機能します。ただし、MK はスリープ状態になり、(プロジェクトが再起動されるまで) 再び起動しないため、もう一度ボタンを押して PWM コントローラーをオフにする価値があります。 Proteus ではプロジェクトをアタッチしません。遊びたい人、書きたい人は、プロテウスにプロジェクトを送ります。

主な技術的特徴:

動作性が保証される供給電圧: 2.8 ... 5 ボルト
PWM信号周波数：244Hz
10個のLEDのスケールの動的表示の周波数：488 Hz（10個のLEDあたり）または48.8 Hz（LEDあたり）
循環する明るさモードの数: 3 モード
ユーザーによる各モードの明るさの変更機能: はい

以下からMK ATmega8のファームウェアをダウンロードできますとATmega328

シュトフ・マキシム、ベルスク

無線要素のリスト

指定	タイプ	宗派	量	私のメモ帳
U1	MK AVR 8ビット	ATメガ8-16PU	1	メモ帳へ
U2	リファレンスIC	TL431ILP	1	メモ帳へ
	抵抗器
R1、R2	抵抗定数 SMD 1206	330オーム	2	メモ帳へ
R3	抵抗定数 SMD 1206	1キロオーム	1	メモ帳へ
R4	抵抗定数 SMD 1206	10キロオーム	1	メモ帳へ
R5	抵抗定数 SMD 1206	47キロオーム	1	メモ帳へ
	抵抗定数 SMD 1206

ダッシュボードを再設計する場合、設置されているボードの明るさを調整する必要があります。これは、暗闇の中で長時間運転する場合に特に必要です。それでも、LED は従来のランプよりもジューシーで明るく輝き、レギュレーターなしでも作業が未完成に見えます。

この問題は、LEDストリップを調整するための既製の調光器を購入するか、ネットワークブレークに取り付けられた単純な可変抵抗器によって解決されます。これは私たちの方法ではありません。レギュレータは PWM (パルス幅変調器) である必要があります。

PWM調整は LED を流れる電流を短期間でオン/オフする周期的なスイッチングです。人間の視覚で認識されるちらつき効果を回避するには、このサイクルの周波数は少なくとも 200 Hz である必要があります。

LED を調光するためのオプションの 1 つは、一般的な 555 タイマーに基づく単純なデバイスであり、PWM 信号を使用してこの操作を実行します。回路の主なコンポーネントは、PWM 信号を生成する 555 タイマーで、内蔵ジェネレーターが 200 Hz の周波数でパルスのデューティサイクルを変更します。

可変抵抗器と 2 つのパルスダイオードの助けを借りて明るさを調整します。この回路の重要な要素は、ソース接地回路に従って動作する重要な電界効果トランジスタです。調光回路は 5% から 95% まで調光できます。

理論は合格しました。練習に移りましょう。