Diskret alternerande analog LED Fader med linjär ljusstyrka: 6 steg (med bilder)

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

De flesta kretsar för att bleka/dimma en LED är digitala kretsar som använder en PWM -utgång från en mikrokontroller. Ljusstyrkan på LED -lampan styrs genom att ändra PWM -signalens driftscykel. Snart upptäcker du att när linjärt ändras arbetscykeln, förändras inte LED -ljusstyrkan linjärt. Ljusstyrkan kommer att följa en logaritmisk kurva, vilket innebär att intensiteten ändras snabbt när arbetscykeln ökas från 0 till låta säga 70% och ändras mycket långsamt när man ökar arbetscykeln från låter säga 70% till 100%. Exakt samma effekt är också synlig när man använder en konstant strömkälla och ökar den aktuella linjära fe genom att ladda en kondensator med konstant ström.

I denna instruerbara ska jag försöka visa dig hur du kan göra en analog LED -fader som har en ljusstyrkaändring som verkar vara linjär för det mänskliga ögat. Detta resulterar i en fin linjär blekningseffekt.

Steg 1: Teori bakom kretsen

I figuren kan du se att ljusstyrkans uppfattning av en LED har en logaritmisk kurva på grund av Weber-Fechner-lagen, som säger att det mänskliga ögat, precis som de andra sinnena, har en logaritmisk kurva. När lysdioden precis börjar "leda" ökar den upplevda ljusstyrkan snabbt med ökande ström. Men när den väl är "ledande" ökar den upplevda ljusstyrkan långsamt med ökande ström. Så vi måste skicka en exponentiell växlande ström (se bild) genom lysdioden så att det mänskliga ögat (med en logaritmisk uppfattning) uppfattar ljusförändringen som linjär.

Det finns 2 sätt att göra detta:

• Closed loop -tillvägagångssätt
• Open loop -tillvägagångssätt

Closed loop -tillvägagångssätt:

När du tittar närmare på LDR (kadmiumsulfid) cellspecifikationer kommer du att se att LDR -motståndet ritas som en rak linje på en logaritmisk skala. Så LDR -motståndet ändras logaritmiskt med ljusintensitet. Dessutom verkar den logaritmiska motståndskurvan för en LDR stämma överens med den logaritmiska ljusuppfattningen för det mänskliga ögat ganska nära. Det är därför LDR är en perfekt kandidat för att linearisera ljusstyrkans uppfattning av en LED. Så när vi använder en LDR för att kompensera för den logaritmiska uppfattningen kommer det mänskliga ögat att bli nöjd med den fina linjära ljusstyrkavariationen. I den slutna slingan använder vi en LDR för att återkoppla och styra LED -ljusstyrkan, så den följer LDR -kurvan. På så sätt får vi en exponentiell förändrad ljusstyrka som verkar vara linjär mot det mänskliga ögat.

Open loop -tillvägagångssätt:

När vi inte vill använda en LDR och vill få en linjär ljusstyrkaändring för fadern, måste vi göra strömmen genom LED -exponentiell för att kompensera för den logaritmiska ljusuppfattningen av det mänskliga ögat. Så vi behöver en krets som genererar en exponentiell växlande ström. Detta kan göras med OPAMP: s, men jag upptäckte en enklare krets, som använder en anpassad strömspegel, även kallad en "strömkvadratare" eftersom genereringsströmmen följer en kvadratkurva (semi-exponentiell). I denna instruerbara kombinerar vi både sluten slinga och den öppna slingan för att få en alternerande blekande lysdiod. vilket betyder att den ena LED -lampan bleknar in och ut medan den andra LED -lampan bleknar in och ut med motsatt blekningskurva.

Steg 2: Schematic1 - Triangular Waveform Generator

För vår LED -fader behöver vi en spänningskälla som genererar en linjär ökande och minskande spänning. Vi vill också kunna ändra in- och uttoningsperioden individuellt. För detta ändamål använder vi en symmetrisk triangulär vågformsgenerator som är konstruerad med 2 OPAMP: ar på en gammal arbetshäst: LM324. U1A är konfigurerad som en schmitt -trigger med positiv feedback och U1B är konfigurerad som en integrator. Frekvensen för den triangulära vågformen bestäms av C1, P1 och R6. För att LM324 inte kan leverera tillräckligt med ström, läggs en buffert bestående av Q1 och Q2 till. Denna buffert ger den strömförstärkning som vi behöver för att driva tillräckligt med ström till LED -kretsen. Återkopplingsslingan runt U1B tas från buffertens utdata, istället från OPAMP: s utgång. eftersom OPAMP inte gillar kapacitiva belastningar (t.ex. C1). R8 läggs till OPAMP -utgången av stabilitetsskäl, eftersom emitterföljare, som används i bufferten (Q1, Q2) också kan orsaka oscillationer när de drivs från en låg impedansutgång. Så långt, så bra, oscilloskopbilden visar spänningen vid utmatningen av bufferten som bildas av Q1 och Q2.

Steg 3: Schematic2 - Closed Loop LED Fader Circuit

För att linearisera ljusstyrkan hos en LED används en LDR som ett återkopplingselement i ett slutet loop -arrangemang. Eftersom LDR -motståndet kontra ljusintensiteten är logaritmiskt, är det en lämplig kandidat för att utföra jobbet. Q1 och Q2 bildar en strömspegel som omvandlar den triangulära vågformsgeneratorns utspänning till en ström via R1, som finns i "referensbenet "av den nuvarande spegeln. Strömmen genom Q1 speglas till Q2, så samma triangulära ström flödar genom Q2. D1 är där eftersom utsignalen från den triangulära vågformsgeneratorn inte svänger helt till noll, eftersom jag inte använder en skena-till-skena utan en lätt tillgänglig OPAMP för allmänna ändamål i den triangulära vågformsgeneratorn. LED: n är ansluten till Q2, men även Q3, som är en del av en andra strömspegel. Q3 och Q4 bildar en strömspegel. (Se: Strömspeglar) LDR sätts i "referensbenet" i denna strömspegling, så motståndet hos LDR bestämmer strömmen som genereras av denna spegel. Ju mer ljus som faller på LDR, desto lägre är dess motstånd och desto högre blir strömmen genom Q4. Strömmen genom Q4 speglas till Q3, som är ansluten till Q2. Så nu måste vi tänka i strömmar och inte i spänningar längre. Q2 sänker en triangulär ström I1 och Q3 källor till en ström I2, som är direkt relaterad till mängden ljus som faller på LDR och följer en logaritmisk kurva. I3 är strömmen genom lysdioden och är resultatet av den linjära triangulära strömmen I1 minus den logaritmiska LDR -strömmen I2, vilket är en exponentiell ström. Och det är precis vad vi behöver för att linearisera ljusstyrkan hos en LED. Eftersom en exponentiell ström drivs genom lysdioden, kommer den upplevda ljusstyrkan att förändras på ett linjärt sätt, vilket har en mycket bättre blekning/dimningseffekt än att bara köra en linjär ström genom lysdioden. Oscilloskopbilden visar spänningen över R6 (= 10E), som representerar strömmen genom lysdioden.

Steg 4: Schematic3 - Open Loop LED Fader Circuit Using Current Squarer

Eftersom LED/LDR -kombinationer inte är standardkomponenter letade jag efter andra sätt att generera en exponentiell eller kvadrerande ström genom en LED i en öppen slinga -konfiguration. Resultatet är den öppna kretsen som visas i detta steg. Q1 och Q2 bildar en strömkvadratkrets som är baserad på en nuvarande sjunkande spegel. R1 omvandlar den triangulära utspänningen, som först delas med P1, till en ström som flödar genom Q1. Men sändaren för Q1 är inte ansluten till jord via ett motstånd, utan via 2 dioder. De 2 dioderna kommer att ha en kvadratisk effekt på strömmen genom Q1. Denna ström speglas till Q2, så I2 har samma kvadratkurva. Q3 och Q4 bildar en konstant strömkälla. Lysdioden är ansluten till denna konstanta strömkälla men också till den nuvarande sjunkande spegeln Q1 och Q2. Så strömmen genom lysdioden är resultatet av den konstanta strömmen I1 minus kvadreringsströmmen I2, som är en halv-exponentiell ström I3. Denna exponentiella ström genom lysdioden kommer att resultera i en fin linjär blekning av den upplevda ljusstyrkan hos lysdioden. P1 ska trimmas så att lysdioden bara slocknar när den bleknar. Oscilloskopbilden visar spänningen över R2 (= 180E), som representerar strömmen I2, som subtraheras från den konstanta strömmen I1.

Steg 5: Schematic4 - Alternating LED Fader genom att kombinera båda kretsarna

Eftersom LED -strömmen i den öppna kretsen är inverterad jämfört med LED -strömmen i sluten krets, kan vi kombinera båda kretsarna för att skapa en alternerande LED -fader där en LED bleknar medan den andra bleknar och vice versa.

Steg 6: Bygg kretsen

• Jag bygger bara kretsen på en brödbräda, så jag har ingen PCB -layout för kretsen
• Använd högeffektiva lysdioder eftersom dessa har en mycket högre intensitet vid samma ström än de äldre lysdioderna
• För att göra LDR/LED -kombinationen, lägg LDR (se bild) och LED ansikte mot ansikte i ett krympande rör (se bild).
• Kretsen är konstruerad för matningsspänning från +9V till +12V.