Вся правда о регулировке яркости светодиодных ламп: диммеры, драйверы и теория

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.

Отсюда следует:

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.

Способы регулирования яркости светодиодов: линейные «аналоговые» регуляторы

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.

Принцип действия:

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.

Расчёт выходного тока достаточно прост:

Получается достаточно компактное решение:

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:

P=Uвх-Uвых/I

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.

Отсюда следует:

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.

Алексей Бартош

Источник