Διακριτικό εναλλασσόμενο αναλογικό LED Fader με καμπύλη γραμμικής φωτεινότητας: 6 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:37

Τα περισσότερα κυκλώματα για να ξεθωριάσουν/σβήσουν ένα LED είναι ψηφιακά κυκλώματα που χρησιμοποιούν έξοδο PWM ενός μικροελεγκτή. Η φωτεινότητα του LED ελέγχεται με την αλλαγή του κύκλου λειτουργίας του σήματος PWM. Σύντομα ανακαλύπτεις ότι όταν αλλάζεις γραμμικά τον κύκλο λειτουργίας, η φωτεινότητα των LED δεν αλλάζει γραμμικά. Η φωτεινότητα θα ακολουθήσει μια λογαριθμική καμπύλη, που σημαίνει ότι η ένταση αλλάζει γρήγορα όταν αυξάνεται ο κύκλος λειτουργίας από 0 σε ας πούμε 70% και αλλάζει πολύ αργά όταν αυξάνεται ο κύκλος λειτουργίας από ας πούμε 70% σε 100%. Το ίδιο ακριβώς αποτέλεσμα είναι επίσης ορατό όταν χρησιμοποιείτε σταθερή πηγή ρεύματος και αυξάνετε το τρέχον γραμμικό fe φορτίζοντας έναν πυκνωτή με σταθερό ρεύμα.

Σε αυτό το διδακτικό θα προσπαθήσω να σας δείξω πώς μπορείτε να φτιάξετε ένα αναλογικό LED fader που έχει μια αλλαγή φωτεινότητας που φαίνεται να είναι γραμμική για το ανθρώπινο μάτι. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα ένα ωραίο γραμμικό εφέ εξασθένισης.

Βήμα 1: Θεωρία πίσω από το κύκλωμα

Στο σχήμα, μπορείτε να δείτε ότι η αντίληψη φωτεινότητας ενός LED έχει λογαριθμική καμπύλη λόγω του νόμου Weber-Fechner, λέγοντας ότι το ανθρώπινο μάτι, όπως και οι άλλες αισθήσεις, έχει λογαριθμική καμπύλη. Όταν η λυχνία LED μόλις αρχίσει να "μεταφέρει", η αντιληπτή φωτεινότητα αυξάνεται γρήγορα με την αύξηση του ρεύματος. Μόλις «αγωγιμοποιηθεί», η αντιληπτή φωτεινότητα αυξάνεται αργά με την αύξηση του ρεύματος. Έτσι, πρέπει να στείλουμε ένα εκθετικό μεταβαλλόμενο ρεύμα (βλέπε εικόνα) μέσω της λυχνίας LED, έτσι ώστε το ανθρώπινο μάτι (με λογαριθμική αντίληψη) να αντιλαμβάνεται την αλλαγή φωτεινότητας ως γραμμική.

Υπάρχουν 2 τρόποι για να το κάνετε αυτό:

• Προσέγγιση κλειστού βρόχου
• Προσέγγιση ανοιχτού βρόχου

Προσέγγιση κλειστού βρόχου:

Όταν εξετάζετε προσεκτικά τις προδιαγραφές κυττάρων LDR (θειούχο κάδμιο), θα δείτε ότι η αντίσταση LDR σχεδιάζεται ως ευθεία γραμμή σε λογαριθμική κλίμακα. Έτσι, η αντίσταση LDR αλλάζει λογαριθμική με την ένταση του φωτός. Επιπλέον, η καμπύλη λογαριθμικής αντίστασης ενός LDR φαίνεται να ταιριάζει με την λογαριθμική αντίληψη φωτεινότητας του ανθρώπινου ματιού πολύ κοντά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το LDR είναι ένας τέλειος υποψήφιος για να γραμμικοποιήσει την αντίληψη φωτεινότητας ενός LED. Έτσι, όταν χρησιμοποιείτε ένα LDR για να αντισταθμίσετε τη λογαριθμική αντίληψη, το ανθρώπινο μάτι θα ευχαριστηθεί από την ωραία παραλλαγή της γραμμικής φωτεινότητας. Στον κλειστό βρόχο, χρησιμοποιούμε ένα LDR για ανάδραση και έλεγχο της φωτεινότητας των LED, ώστε να ακολουθεί την καμπύλη LDR. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε μια εκθετική μεταβαλλόμενη φωτεινότητα που φαίνεται να είναι γραμμική για το ανθρώπινο μάτι.

Προσέγγιση ανοικτού βρόχου:

Όταν δεν θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε ένα LDR και θέλουμε μια γραμμική αλλαγή φωτεινότητας για το fader, πρέπει να κάνουμε το ρεύμα μέσω της LED εκθετικό για να αντισταθμίσει την αντίληψη της λογαριθμικής φωτεινότητας του ανθρώπινου ματιού. Χρειαζόμαστε λοιπόν ένα κύκλωμα που παράγει ένα εκθετικό μεταβαλλόμενο ρεύμα. Αυτό μπορεί να γίνει με το OPAMP, αλλά ανακάλυψα ένα απλούστερο κύκλωμα, το οποίο χρησιμοποιεί έναν προσαρμοσμένο καθρέφτη ρεύματος, που ονομάζεται επίσης "τετράγωνο ρεύματος" επειδή το ρεύμα παραγωγής ακολουθεί μια τετράγωνη καμπύλη (ημι-εκθετική). Σε αυτό το διδακτικό, συνδυάζουμε και τα δύο ο κλειστός βρόχος και η προσέγγιση ανοιχτού βρόχου για να λάβετε ένα εναλλασσόμενο ξεθώριασμα LED. σημαίνει ότι το ένα LED σβήνει μέσα και έξω ενώ το άλλο LED σβήνει μέσα και έξω με αντίθετη καμπύλη εξασθένισης.

Βήμα 2: Σχηματική 1 - Τριγωνική γεννήτρια κυματομορφής

Για το LED fader, χρειαζόμαστε μια πηγή τάσης που δημιουργεί μια γραμμική αυξανόμενη και μειούμενη τάση. Θέλουμε επίσης να μπορούμε να αλλάξουμε την περίοδο εξασθένισης και εξαφάνισης μεμονωμένα. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιούμε μια συμμετρική γεννήτρια τριγωνικής κυματομορφής που έχει κατασκευαστεί με χρήση 2 OPAMPs ενός παλιού άξονα εργασίας: LM324. Το U1A έχει διαμορφωθεί ως σκανδάλη schmitt χρησιμοποιώντας θετική ανατροφοδότηση και το U1B έχει διαμορφωθεί ως ολοκληρωτής. Η συχνότητα της τριγωνικής κυματομορφής καθορίζεται από τα C1, P1 και R6. Επειδή το LM324 δεν είναι ικανό να παράγει αρκετό ρεύμα, προστίθεται ένα ρυθμιστικό που αποτελείται από Q1 και Q2. Αυτό το buffer παρέχει το κέρδος ρεύματος που χρειαζόμαστε για να περάσουμε αρκετό ρεύμα στο κύκλωμα LED. Ο βρόχος ανατροφοδότησης γύρω από το U1B λαμβάνεται από την έξοδο του buffer, αντί από την έξοδο του OPAMP. επειδή τα OPAMP δεν αγαπούν τα χωρητικά φορτία (όπως το C1). Το R8 προστίθεται στην έξοδο του OPAMP για λόγους σταθερότητας, επειδή οι οπαδοί εκπομπών, όπως χρησιμοποιούνται στο buffer (Q1, Q2) μπορούν επίσης να προκαλέσουν ταλαντώσεις όταν οδηγούνται από μια χαμηλή έξοδο σύνθετης αντίστασης. Μέχρι στιγμής, τόσο καλό, Η εικόνα του παλμογράφου δείχνει η τάση στην έξοδο του buffer που σχηματίζεται από Q1 και Q2.

Βήμα 3: Schematic2 - Closed Loop LED Fader Circuit

Για να γραμμικοποιήσει τη φωτεινότητα ενός LED, ένα LDR χρησιμοποιείται ως στοιχείο ανάδρασης σε μια διάταξη κλειστού βρόχου. Επειδή η αντίσταση LDR έναντι της έντασης του φωτός είναι λογαριθμική, είναι κατάλληλος υποψήφιος για να κάνει τη δουλειά. Τα Q1 και Q2 σχηματίζουν έναν τρέχοντα καθρέφτη που μετατρέπει την τάση εξόδου της τριγωνικής γεννήτριας κυματομορφής σε ρεύμα μέσω R1, το οποίο βρίσκεται στο "πόδι αναφοράς" του τρέχοντος καθρέφτη. Το ρεύμα μέσω του Q1 αντικατοπτρίζεται στο Q2, οπότε το ίδιο τριγωνικό ρεύμα ρέει μέσω του Q2. D1 υπάρχει επειδή η έξοδος της γεννήτριας τριγωνικής κυματομορφής δεν περιστρέφεται πλήρως στο μηδέν, επειδή δεν χρησιμοποιώ ράγα-σιδηροτροχιά αλλά Εύκολα αποκτήσιμο OPAMP γενικής χρήσης στην γεννήτρια τριγωνικής κυματομορφής. Η λυχνία LED συνδέεται με το Q2, αλλά και το Q3, που αποτελεί μέρος ενός δεύτερου τρέχοντος καθρέφτη. Το Q3 και το Q4 σχηματίζουν έναν καθρέφτη τροφοδοσίας ρεύματος. (Βλέπε: Τρέχοντες καθρέφτες) Το LDR τοποθετείται στο "σκέλος αναφοράς" αυτού του τρέχοντος καθρέφτη, οπότε η αντίσταση του LDR καθορίζει το ρεύμα που παράγεται από αυτόν τον καθρέφτη. Όσο περισσότερο φως πέφτει στο LDR, τόσο μικρότερη είναι η αντίστασή του και τόσο υψηλότερο θα είναι το ρεύμα μέσω του Q4. Το ρεύμα μέσω του Q4 αντικατοπτρίζεται στο Q3, το οποίο συνδέεται με το Q2. Έτσι, τώρα πρέπει να σκεφτούμε σε ρεύματα και όχι σε τάσεις. Το Q2 βυθίζει ένα τριγωνικό ρεύμα I1 και Q3 πηγάζει ένα ρεύμα I2, που σχετίζεται άμεσα με την ποσότητα φωτός που πέφτει στο LDR και ακολουθεί μια λογαριθμική καμπύλη. Το I3 είναι το ρεύμα μέσω του LED και είναι το αποτέλεσμα του γραμμικού τριγωνικού ρεύματος I1 μείον το λογαριθμικό ρεύμα LDR I2, το οποίο είναι ένα εκθετικό ρεύμα. Και αυτό ακριβώς χρειαζόμαστε για να γραμμικοποιήσουμε τη φωτεινότητα ενός LED. Επειδή ένα εκθετικό ρεύμα κινείται μέσω της λυχνίας LED, η αντιληπτή φωτεινότητα θα αλλάξει με γραμμικό τρόπο, γεγονός που έχει πολύ καλύτερο φαινόμενο εξασθένισης/εξασθένισης από το να τρέχει μόνο ένα γραμμικό ρεύμα μέσω της λυχνίας LED. Η εικόνα του παλμογράφου δείχνει την τάση πάνω από το R6 (= 10E), που αντιπροσωπεύει το ρεύμα μέσω της λυχνίας LED.

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

Επειδή οι συνδυασμοί LED/LDR δεν είναι τυπικά στοιχεία, έψαξα για άλλους τρόπους για να δημιουργήσω ένα εκθετικό ή τετραγωνικό ρεύμα μέσω ενός LED σε μια διαμόρφωση ανοιχτού βρόχου. Το αποτέλεσμα είναι το κύκλωμα ανοιχτού βρόχου που φαίνεται σε αυτό το βήμα. Το Q1 και το Q2 σχηματίζουν ένα κύκλωμα τετραγωνισμού ρεύματος που βασίζεται σε έναν καθρέφτη βύθισης ρεύματος. Το R1 μετατρέπει την τριγωνική τάση εξόδου, η οποία αρχικά διαιρείται χρησιμοποιώντας το Ρ1, σε ρεύμα, που διαρρέει το Q1. Αλλά ο πομπός του Q1 δεν συνδέεται με τη γείωση μέσω αντίστασης, αλλά μέσω 2 διόδων. Οι 2 δίοδοι θα έχουν τετραγωνική επίδραση στο ρεύμα μέσω Q1. Αυτό το ρεύμα αντικατοπτρίζεται στο Q2, οπότε το I2 έχει την ίδια καμπύλη τετραγωνισμού. Τα Q3 και Q4 σχηματίζουν μια σταθερή πηγή βύθισης ρεύματος. Η λυχνία LED συνδέεται με αυτήν την πηγή σταθερού ρεύματος αλλά και με τον τρέχοντα καθρέφτη βύθισης Q1 και Q2. Έτσι, το ρεύμα μέσω της λυχνίας LED είναι το αποτέλεσμα του σταθερού ρεύματος Ι1 μείον το ρεύμα τετραγωνισμού Ι2, το οποίο είναι ένα ημιεκθετικό ρεύμα Ι3. Αυτό το εκθετικό ρεύμα μέσω της λυχνίας LED θα οδηγήσει σε μια ωραία γραμμική εξασθένηση της αντιληπτής φωτεινότητας του LED. Το P1 πρέπει να κοπεί έτσι ώστε το LED να σβήνει μόλις σβήσει. Η εικόνα του παλμογράφου δείχνει την τάση πάνω από το R2 (= 180E), που αντιπροσωπεύει το ρεύμα I2, το οποίο αφαιρείται από το σταθερό ρεύμα I1.

Βήμα 5: Schematic4 - Εναλλασσόμενο LED Fader συνδυάζοντας και τα δύο κυκλώματα

Επειδή το ρεύμα LED στο κύκλωμα ανοιχτού βρόχου αντιστρέφεται σε σύγκριση με το ρεύμα LED στο κύκλωμα κλειστού βρόχου, μπορούμε να συνδυάσουμε και τα δύο κυκλώματα για να δημιουργήσουμε ένα εναλλασσόμενο fader LED στο οποίο το ένα LED σβήνει ενώ το άλλο σβήνει και αντίστροφα.

Βήμα 6: Δημιουργήστε το κύκλωμα

• Χτίζω το κύκλωμα μόνο σε ένα breadboard, οπότε δεν έχω διάταξη PCB για το κύκλωμα
• Χρησιμοποιήστε LED υψηλής απόδοσης γιατί αυτά έχουν πολύ μεγαλύτερη ένταση στο ίδιο ρεύμα από τα παλαιότερα LED
• Για να κάνετε τον συνδυασμό LDR/LED, τοποθετήστε το LDR (δείτε την εικόνα) και το LED πρόσωπο με πρόσωπο σε έναν σωλήνα που συρρικνώνεται (δείτε την εικόνα).
• Το κύκλωμα έχει σχεδιαστεί για τάση τροφοδοσίας από +9V έως +12V.