Regulator jasności diod power LED

Doświetlenie fotografowanych obiektów lub oświetlenie stołu roboczego to sytuacje, w których jakość światła ma duże znaczenie. Niestety, właściwego oświetlenia nie zapewni pierwsza lepsza „żarówka” LED. Poszukiwania LED-owego źródła światła, które mogłoby konkurować z halogenowym, zaprowadziły do portalu swiatelka.pl, skąd pochodzą porównawcze fotografie z grejpfrutami (fotografie 1a i b).

Fotografia 1. Porównanie jakości oświetlenia: a) oświetlenie diodą o CRI = 80, b) oświetlenie diodą o CRI = 97

Dioda LED o współczynniku oddawania barw CRI>97 do prawidłowej pracy wymaga zasilania układem z regulacją prądu, a przydatną funkcjonalnością byłaby regulacja jasności z pamięcią nastaw. Zadania te realizuje opisany moduł, który umożliwia 32-poziomową regulację jasności oświetlenia – od zupełnego wyłączenia, po pracę z pełną mocą. Urządzenie obsługuje źródła światła, zasilane napięciem od kilku do ok. 40 V. Zatem może współpracować z typowymi taśmami LED i popularnymi LED-ami mocy w obudowie COB.

Budowa i działanie

Schemat regulatora został pokazany na rysunku 1. Układ U2 typu LMV431 na bieżąco kontroluje napięcie na swoim wejściu i tak ustawia potencjał bramki T1, aby to napięcie wynosiło 1,25 V. Cała idea regulacji polega na tym, że napięcie wejściowe LMV431 jest składową dwóch wartości: napięcia z R3, proporcjonalnego do prądu diody, oraz napięcia z drabinki rezystorowej, zawartej w potencjometrze cyfrowym U3. W skrajnym, dolnym ustawieniu potencjometru na wejście komparatora LMV431 trafia wyłącznie napięcie z rezystora R3, więc prąd diody LED wyniesie 1,25 V/R3. W przeciwnym, górnym położeniu do wejścia komparatora trafia napięcie z dzielnika R2 i sumy rezystancji U3 – 10 k, które przy wartościach podanych na schemacie wyniesie 1,25 V. Zatem komparator blokuje się bez dodatkowego udziału napięcia z R3. Wszystkie pośrednie nastawy potencjometru powodują przepływ prądu przez R3 o takiej wartości, aby suma spadku napięcia na R3 oraz napięcia z dzielnika R2 i potencjometru XR9511 wynosiła 1,25 V.

Rysunek 1. Schemat elektryczny układu

Nastawę układu U3 – potencjometru cyfrowego, zmienia się poprzez naciskanie klawiszy S1 i S2. Natomiast podłączenie do masy wyprowadzenia 7 (/ASE), aktywuje automatyczne zapisywanie ustawienia suwaka do wewnętrznej pamięci oraz przywrócenie tego ustawienia po ponownym włączeniu zasilania. Układ U3 wymaga zasilania napięciem 5 V, dlatego w regulatorze zastosowano stabilizator 78L05. Stabilizowane napięcie 5 V zasila także dzielnik R2/potencjometr XR9511 i wskazane jest, aby wynosiło dokładnie 5,0 V.

Zaznaczony gwiazdką na schemacie rezystor mocy R3 umożliwia ustawienie maksymalnego prądu diody. Obowiązuje wzór Imax=1,25 V/R3.

Wartość 1 Ω pokazana na schemacie może być zbyt mała dla wielu diod COB. Koniecznie należy sprawdzić prąd maksymalny w dokumentacji diody, a R3 dobrać według podanego wzoru. Sytuacja wygląda inaczej z 12-woltowymi taśmami LED, ponieważ nie grozi im uszkodzenie przy zasilaniu z 12 V, a nadmierne zwiększanie R3 ograniczy maksymalną jasność.

Na schemacie widzimy jeszcze dwa elementy zaznaczone gwiazdką – diodę D1 oraz rezystor R1. Diodę D1 należy zastosować przy zasilaniu sterownika z napięcia wyższego niż 12 V. Podana wartość 30 V dotyczy pracy sterownika z popularnymi diodami COB, zawierającymi w swojej strukturze łańcuchy 12 szeregowo połączonych diod. Taka „duża dioda” wymaga zasilania co najmniej 36 V, a cały sterownik trzeba zasilić jeszcze wyższym napięciem. Dobrze nadają się do tego zasilacze 48 V PoE. Wtedy dioda D1 obniża napięcie na wejściu stabilizatora 78L05 oraz bramce T1 do bezpiecznej wartości.

Natomiast rezystor R1 ogranicza prąd komparatora LMV431 i jednocześnie umożliwia jego pracę. Przyjmując zalecany prąd Iz=1 mA, przy zasilaniu regulatora z 12 V otrzymujemy wartość R1 równą 10 k. Należy jednak rozważyć dwa przypadki: przy zasilaniu regulatora z 5 V (z pominięciem U1) wartość 10 k będzie zbyt duża. Spoczynkowy prąd ok. 100 μA pobierany przez LMV431 wywoła na R1 spadek około 1 V. Jeśli wtedy na R3 odłoży się 1,25 V, to na wysterowanie bramki T1 pozostanie zaledwie 3,75 V. Dla sporej grupy MOSFET-ów mocy będzie to zbyt niskie napięcie do pełnego otwarcia się. Drugi przypadek to zasilanie sterownika z 18 V i więcej. Wtedy R1 należy odpowiednio zwiększyć.

Montaż i uruchomienie

Montaż urządzenia jest bardzo prosty, schemat płytki wraz z rozmieszczeniem elementów pokazano na rysunku 2, ewentualne wątpliwości wyjaśnia fotografia tytułowa. Należy rozpocząć od elementów montowanych powierzchniowo. Wartość R3 dobieramy ze wzoru R=1,25 V/Imax. Przy tym należy pamiętać, że praca z maksymalnym prądem wymaga właściwego chłodzenia diody.

Rysunek 2. Schemat płytki PCB wraz z rozmieszczeniem elementów

Chwila pracy ze zbyt małym radiatorem może skończyć się jak na fotografii 2.

Fotografia 2. Niebezpieczny wzrost temperatury diody przy niewystarczającym odprowadzaniu ciepła

Dla przykładu, 25-watowa dioda CLU036-1208C1 (8 sekcji po 12 diod) wymagała potężnego radiatora, stosowanego kiedyś dla procesorów Duron. Pomimo to, temperatura świecących struktur podnosi się do 150°C (fotografia 3).

Fotografia 3. Temperatura diody przy właściwym odprowadzaniu ciepła

Sterownik pracuje w dosyć szerokim zakresie napięć. Przy połączeniu z klasycznymi taśmami LED 12 V diodę D1 zastępujemy zworką. Dla diod COB 36 V (np. z serii CLU036) wartość D1 powinna wynosić 30 V. Szukając zasilacza PoE (48 V), warto rozejrzeć się za wersją z regulowanym napięciem.

Jak pokazały pomiary, po zmniejszeniu napięcia na wyjściu zasilacza do ok. 40 V znacznie zmniejsza się nagrzewanie T1. Dzieje się tak dlatego, że na mosfecie odkłada się zaledwie około 2 V i przy mniejszych prądach T1 może pracować bez radiatora.

Uwaga końcowa

Na koniec pewna uwaga z pogranicza elektroniki i optyki. Prawie liniowa zależność strumienia świetlnego od przepływającego prądu pozwala na odmierzenie 32 równych poziomów światła. Wydawać by się mogło, że ta liniowa zależność będzie zaletą np. do ustawiania czasu ekspozycji w aparacie. Niestety, charakterystyka ludzkiego oka sprawia, że kolejne nastawy odbierane są jako coraz mniejsze przyrosty jasności. Jeżeli będzie to uciążliwe, rozwiązaniem może być wymiana potencjometru na wersję z charakterystyką logarytmiczną, stosowaną przy regulacji głośności.

Michał Stach
michal.stach@elportal.pl