Discrete alternerende analoge LED-fader met lineaire helderheidscurve - Ajarnpa

2025 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2025-01-13 06:57

De meeste circuits om een LED te laten vervagen/dimmen zijn digitale circuits die gebruik maken van een PWM-uitgang van een microcontroller. De helderheid van de LED wordt geregeld door de duty-cycle van het PWM-signaal te wijzigen. Al snel ontdek je dat bij het lineair veranderen van de duty cycle de LED-helderheid niet lineair verandert. De helderheid zal een logaritmische curve volgen, wat betekent dat de intensiteit snel verandert bij het verhogen van de duty-cycle van 0 naar laten we zeggen 70% en zeer langzaam verandert bij het verhogen van de duty-cycle van laten we zeggen 70% naar 100%. Hetzelfde effect is ook zichtbaar bij gebruik van een constante stroombron en verhoging van de huidige lineaire fe door een condensator met een constante stroom op te laden.

In deze instructable zal ik proberen je te laten zien hoe je een analoge LED-fader kunt maken met een helderheidsverandering die lineair lijkt voor het menselijk oog. Dit resulteert in een mooi lineair fading effect.

Stap 1: Theorie achter het circuit

In de figuur kun je zien dat de helderheidsperceptie van een LED een logaritmische curve heeft vanwege de wet van Weber-Fechner, die zegt dat het menselijk oog, net als de andere zintuigen, een logaritmische curve heeft. Wanneer de LED net begint te "geleiden", neemt de waargenomen helderheid snel toe met toenemende stroom. Maar eenmaal "geleidend", neemt de waargenomen helderheid langzaam toe met toenemende stroom. We moeten dus een exponentieel veranderende stroom (zie afbeelding) door de LED sturen, zodat het menselijk oog (met een logaritmische waarneming) de helderheidsverandering als lineair waarneemt.

Er zijn 2 manieren om dit te doen:

• Gesloten lusbenadering
• Open-lusbenadering

Gesloten lusbenadering:

Als je de specificaties van LDR-cellen (cadmiumsulfide) nauwkeurig bekijkt, zul je zien dat de LDR-weerstand als een rechte lijn op een logaritmische schaal wordt getekend. Dus de LDR-weerstand verandert logaritmisch met de lichtintensiteit. Bovendien lijkt de logaritmische weerstandscurve van een LDR redelijk goed overeen te komen met de logaritmische helderheidsperceptie van het menselijk oog. Daarom is de LDR een perfecte kandidaat om de helderheidsperceptie van een LED te lineariseren. Dus wanneer een LDR wordt gebruikt om de logaritmische perceptie te compenseren, zal het menselijk oog blij zijn met de mooie lineaire helderheidsvariatie. In de gesloten lus gebruiken we een LDR voor feedback en controle van de LED-helderheid, zodat deze de LDR-curve volgt. Op deze manier krijgen we een exponentieel veranderende helderheid die voor het menselijk oog lineair lijkt te zijn.

Open lus-aanpak:

Als we geen LDR willen gebruiken en een lineaire helderheidsverandering voor de fader willen, moeten we de stroom door de LED exponentieel maken om de logaritmische helderheidsperceptie van het menselijk oog te compenseren. We hebben dus een circuit nodig dat een exponentieel veranderende stroom genereert. Dit kan worden gedaan met OPAMP's, maar ik ontdekte een eenvoudiger circuit, dat een aangepaste stroomspiegel gebruikt, ook wel een "stroomkwadraat" genoemd omdat de gegenereerde stroom een vierkante curve volgt (semi-exponentieel). In deze instructie combineren we zowel de gesloten lus en de open lus-benadering om een afwisselend vervagende LED te krijgen. wat betekent dat de ene LED in- en uitfadt terwijl de andere LED in- en uitvloeit met een tegengestelde fadingcurve.

Stap 2: Schema1 - Driehoekige golfvormgenerator

Voor onze LED-fader hebben we een spanningsbron nodig die een lineair stijgende en dalende spanning genereert. We willen ook de fade-in- en fade-outperiode afzonderlijk kunnen wijzigen. Hiervoor gebruiken we een symmetrische driehoekige golfvormgenerator die is gebouwd met behulp van 2 OPAMP's van een oud werkpaard: LM324. U1A is geconfigureerd als een schmitt-trigger met behulp van positieve feedback en U1B is geconfigureerd als een integrator. De frequentie van de driehoekige golfvorm wordt bepaald door C1, P1 en R6. Omdat de LM324 niet genoeg stroom kan leveren, wordt een buffer bestaande uit Q1 en Q2 toegevoegd. Deze buffer zorgt voor de stroomversterking die we nodig hebben om voldoende stroom in het LED-circuit te drijven. De feedbacklus rond U1B wordt genomen van de uitgang van de buffer, in plaats van de uitgang van de OPAMP. omdat OPAMP's niet van capacitieve belastingen houden (zoals C1). R8 wordt om stabiliteitsredenen aan de uitgang van de OPAMP toegevoegd, omdat emittervolgers, zoals die in de buffer (Q1, Q2) worden gebruikt, ook oscillaties kunnen veroorzaken wanneer ze worden aangestuurd vanaf een uitgang met lage impedantie. de spanning aan de uitgang van de buffer gevormd door Q1 en Q2.

Stap 3: Schema2 - LED-fadercircuit met gesloten lus

Om de helderheid van een LED te lineariseren, wordt een LDR gebruikt als terugkoppelingselement in een gesloten lusopstelling. Omdat de LDR-weerstand versus lichtintensiteit logaritmisch is, is het een geschikte kandidaat om de klus te klaren. Q1 en Q2 vormen een stroomspiegel die die uitgangsspanning van de driehoekige golfvormgenerator omzet in een stroom via R1, die zich in het "referentiebeen" bevindt. " van de huidige spiegel. De stroom door Q1 wordt gespiegeld naar Q2, dus dezelfde driehoekige stroom vloeit door Q2. D1 is er omdat de output van de driehoekige golfvormgenerator niet volledig naar nul zwaait, omdat ik geen rail-to-rail gebruik maar een gemakkelijk verkrijgbare OPAMP voor algemeen gebruik in de driehoekige golfvormgenerator. De LED is verbonden met Q2, maar ook met de Q3, die deel uitmaakt van een tweede stroomspiegel. Q3 en Q4 vormen een stroombronspiegel. (Zie: Stroomspiegels) De LDR wordt in het "referentiebeen" van deze stroombronspiegel geplaatst, dus de weerstand van de LDR bepaalt de stroom die door deze spiegel wordt gegenereerd. Hoe meer licht er op de LDR valt, hoe lager de weerstand en hoe hoger de stroom door Q4 zal zijn. De stroom door Q4 wordt gespiegeld naar Q3, die is verbonden met Q2. Dus nu moeten we denken in stromen en niet meer in spanningen. Q2 laat een driehoekige stroom I1 zakken en Q3 haalt een stroom I2 op, die direct gerelateerd is aan de hoeveelheid licht die op de LDR valt en een logaritmische curve volgt. I3 is de stroom door de LED en is het resultaat van de lineaire driehoeksstroom I1 minus de logaritmische LDR-stroom I2, wat een exponentiële stroom is. En dat is precies wat we nodig hebben om de helderheid van een LED te lineariseren. Doordat er een exponentiële stroom door de LED wordt gestuurd, zal de waargenomen helderheid lineair veranderen, wat een veel beter fade/dimming effect heeft dan alleen een lineaire stroom door de LED te laten lopen. De oscilloscoop afbeelding toont de spanning over R6 (=10E), die de stroom door de LED vertegenwoordigt.

Stap 4: Schema3 - Open Loop LED Fader Circuit met behulp van Current Squarer

Omdat LED/LDR-combinaties geen standaardcomponenten zijn, heb ik gezocht naar andere manieren om een exponentiële of kwadratische stroom door een LED te genereren in een open-lusconfiguratie. Het resultaat is het open-luscircuit dat in deze stap wordt getoond. Q1 en Q2 vormen een stroomkwadraatcircuit dat is gebaseerd op een stroomverzinkende spiegel. R1 zet de driehoekige uitgangsspanning, die eerst met P1 wordt verdeeld, om in een stroom die door Q1 vloeit. Maar de emitter van Q1 is niet via een weerstand met massa verbonden, maar via 2 diodes. De 2 diodes hebben een kwadratisch effect op de stroom door Q1. Deze stroom wordt gespiegeld naar Q2, dus I2 heeft dezelfde kwadratuurcurve. Q3 en Q4 vormen een constante stroomafnamebron. De LED is aangesloten op deze constante stroombron maar ook op de stroomzinkspiegel Q1 en Q2. Dus de stroom door de LED is het resultaat van de constante stroom I1 minus de kwadratuurstroom I2, wat een semi-exponentiële stroom I3 is. Deze exponentiële stroom door de LED zal resulteren in een mooie lineaire vervaging van de waargenomen helderheid van de LED. P1 moet worden getrimd zodat de LED gewoon uitgaat als hij uitgaat. De oscilloscoopafbeelding toont de spanning over R2 (=180E), die de stroom I2 vertegenwoordigt, die wordt afgetrokken van de constante stroom I1.

Stap 5: Schema4 - Afwisselende LED-fader door beide circuits te combineren

Omdat de LED-stroom in het open-luscircuit geïnverteerd is in vergelijking met de LED-stroom in een gesloten-luscircuit, kunnen we beide circuits combineren om een alternerende LED-fader te creëren waarin de ene LED naar binnen gaat terwijl de andere uitgaat en vice versa.

Stap 6: Bouw het circuit

• Ik bouw het circuit alleen op een breadboard, dus ik heb geen PCB-lay-out voor het circuit
• Gebruik een hoog rendement LED's omdat deze een veel hogere intensiteit hebben bij dezelfde stroom dan de oudere LED's
• Om de LDR/LED combinatie te maken, plaatst u de LDR (zie afbeelding) en LED tegenover elkaar in een krimpkous (zie afbeelding).
• De schakeling is ontworpen voor voedingsspanning van +9V tot +12V.