Как изменить цветовую температуру светодиодов

Введение

Экспоненциальный рост светодиодного освещения сопровождается расширением выбора микросхем для управления светодиодами. Импульсные драйверы светодиодов давно заменили линейные источники тока, которые потребляют значительно больше энергии. Все приложения — от карманного фонаря до табло стадионов — требуют точного управления стабилизированным током. Во многих случаях необходимо обеспечить изменение выходной интенсивности свечения светодиодов в режиме реального времени. Эту функцию обычно называют регулировкой яркости светодиодов. В данной статье представлены базовые понятия из теории светодиодов, а также некоторые методы регулировки яркости для импульсных драйверов светодиодов.

Яркость и цветовая температура светодиодов

Яркость светодиодов

Понятие яркости видимого света, излучаемого светодиодом, объясняется достаточно просто. Численное значение воспринимаемой яркости светодиода можно легко измерить в единицах плотности светового потока, которые называют канделами (кд). Суммарная выходная мощность светодиода измеряется в люменах (лм).

Важно также понять, что средний прямой ток светодиода определяет яркость светодиода. На рисунке 1 показана зависимость прямого тока светодиода от светового выхода. Из рисунка видно, что эта зависимость является линейной в широком диапазоне применяемых значений прямого тока IF. Заметим, что при увеличении IF нелинейность возрастает. Когда ток начинает выходить за линейную область, происходит уменьшение эффективности (лм/Вт).

Цветовая температура светодиода

Работа светодиода в режиме, превышающем диапазон линейного изменения светового выхода, приводит к преобразованию выходной мощности светодиода в тепло. Оно, в свою очередь, создает нагрузку на драйвер светодиода и усложняет систему отвода тепла.

Цветовая температура является показателем, который описывает цвет свечения светодиода и указывается в технической документации на светодиод. Цветовая температура светодиода определяется в пределах диапазона значений и меняется в зависимости от прямого тока, температуры перехода и срока службы светодиода. Более низкая цветовая температура соответствует красно-желтым цветам (которые называют теплыми), а более высокая цветовая температура — сине-зеленым цветам (холодным). Во многие цветных светодиодах специфицируется преобладающая длина волны, а не цветовая температура, и, кроме того, допускается сдвиг длины волны.

Методы регулировки яркости светодиодов

Существуют два популярных метода регулировки яркости светодиодов в схемах импульсных драйверов: ШИМ-регулировка и аналоговая регулировка. Оба метода контролируют усредненный во времени ток через светодиод или цепочку светодиодов, но между ними есть и различия, которые становятся ясными при обсуждении преимуществ и недостатков двух типов схем регулировки.

На рисунке 2 показан импульсный драйвер светодиодов, включенный в понижающей топологии. Напряжение VIN всегда должно быть выше напряжения на светодиоде плюс напряжение на RSNS. Ток в катушке индуктивности является током светодиода. Стабилизация тока происходит с помощью контроля напряжения на выводе CS. Когда напряжение на выводе CS начинает падать ниже установленного напряжения, рабочий цикл импульсов тока, протекающего через катушку L1, светодиод и резистор RSNS, растет, тем самым увеличивая средний ток светодиода.

Аналоговая регулировка яркости светодиодов заключается в подстройке тока светодиода. Проще говоря, это регулировка уровня постоянного тока светодиода. Аналоговая регулировка может выполняться с помощью подстройки резистора контроля тока RSNS или путем управления аналоговым напряжением на выводе DIM микросхемы. На рисунке 2 показаны эти два способа аналоговой регулировки.

Аналоговая регулировка яркости

Аналоговая регулировка с помощью подстройки RSNS

Из рисунка 2 видно, что изменение сопротивления RSNS приводит к соответствующему изменению тока светодиода при фиксированном опорном напряжении на выводе CS. Если бы можно было найти потенциометр, способный управлять высоким током светодиода, а также работать в диапазоне до 1 Ом, то это был бы практически осуществимый метод регулировки яркости светодиодов.

Аналоговая регулировка с помощью управления постоянным напряжением на выводе CS

Более сложным методом регулировки является прямое управление током светодиода посредством подачи напряжения на вывод CS. Источник напряжения обычно включают в цепь обратной связи, ток в которой формируется усилителем (см. рис. 2). Ток светодиода можно контролировать с помощью коэффициента усиления усилителя. С помощью цепи обратной связи можно реализовать токовую и тепловую защиту светодиода.

Недостатком аналоговой регулировки является то, что цветовая температура излучаемого света может меняться в зависимости от тока светодиода. В случае, когда цвет свечения светодиода является критически важным параметром или у конкретного светодиода наблюдаются заметные изменения цветовой температуры при изменении тока светодиода, регулировка яркости путем подстройки тока светодиода становится недопустимой.

ШИМ-регулировка

При методе ШИМ-регулировки ток через светодиод пропускается на короткие периоды времени. Частота этих циклов запуска-перезапуска тока должна превышать частоту, детектируемую человеческим глазом, чтобы предотвратить эффект мерцания. Обычно используют частоту около 200 Гц или выше. Яркость светодиода в этом случае пропорциональна рабочему циклу сигнала регулировки в соответствии с формулой:

IDIM-LED — DDIM ILED,

где IDIM-LED — средний ток светодиода, DDIM — рабочий цикл сигнала регулировки, ILED — номинальный ток светодиода, который устанавливается резистором RSNS, как показано на рисунке 3.

Многие современные драйверы светодиодов оборудованы специальным выводом ШИМ-регулировки (DIM), на который можно подавать ШИМ-сигнал с широким диапазоном частот и амплитуд, что обеспечивает простое сопряжение с внешней логикой. Сигнал, подаваемый на вывод DIM, отключает лишь выход схемы, оставляя внутренние блоки в работающем состоянии, чтобы предотвратить задержку запуска микросхемы. Можно также использовать вывод разрешения выхода и другие логические функции микросхемы.

Управление драйвером светодиода с помощью ШИМ-сигнала

2-проводная ШИМ-регулировка

2-проводная ШИМ-регулировка — это популярный метод, используемый в системах внутреннего освещения автомобиля. Поскольку VIN модулируется на уровне ниже 70% от VIN-NOMINAL, вывод VINS (см. рис. 3) детектирует изменение напряжения и преобразует входной ШИМ-сигнал в соответствующий ШИМ-сигнал на выходе. Недостатком такого метода является то, что источник питания преобразователя должен содержать схему, формирующую ШИМ-сигнал на своем DC-выходе.

Быстрое ШИМ-регулирование с помощью шунтирующего устройства

Из-за задержки выключения и запуска выхода преобразователя имеются ограничения на частоту ШИМ-сигнала регулировки и диапазон рабочих циклов. Чтобы уменьшить эту задержку, параллельно светодиоду или цепочке светодиодов можно включить внешний шунтирующий компонент, такой как FET, чтобы обеспечить путь для выходного тока преобразователя, минуя светодиод, как показано на рисунке 4.

Рис. 5. Сравнение задержки включения при использовании вывода DIM и шунтирующего FET

Ток в катушке индуктивности не исчезает во время отключения светодиода, что исключает длительную задержку его нарастания и спада. Время задержки определяется теперь минимальным временем нарастания и спада сигнала шунтирующего прибора. На рисунке 4 показана микросхема LM3406 с шунтирующим FET, а на рисунке 5 сравнивается задержка включения/выключения светодиода при использовании вывода DIM и шунтирующего FET. Эти измерения были выполнены при выходной емкости 10 нФ с использованием в качестве шунтирующего FET транзистора Si3458.

При шунтировании тока светодиода в случае использования импульсных преобразователей следует соблюдать меры предосторожности из-за возможных выбросов выходного тока при включении FET. Семейство драйверов светодиодов LM340x представляет собой преобразователи с контролируемым временем включения, в которых не наблюдается выбросов тока. Номинал выходной емкости на светодиоде должен быть малым, чтобы обеспечить максимальную скорость переключения.

Недостатком схемы быстрой регулировки яркости являются потери эффективности. Когда шунтирующий прибор включен, рассеиваемая мощность, равная VSHUNT DEVICE ILED, теряется в виде тепла. Использование FET с низким значением Rds(on) позволяет минимизировать потери эффективности.

LM3409 обеспечивает множество функций регулировки яркости

Микросхема LM3409 от National Semiconductor представляет собой уникальный драйвер светодиодов, который имеет необходимую функциональность для простой аналоговой и ШИМ-регулировки яркости. Этот прибор обеспечивает четыре возможных способа реализации регулировки яркости светодиода.

1. Аналоговая регулировка с помощью прямого управления вывода IADJ от источника напряжения в диапазоне 0…1,24 В.
2. Аналоговая регулировка с помощью потенциометра, включенного между выводом IADJ и землей.
3. ШИМ-регулировка с помощью вывода разрешения.
4. ШИМ-регулировка с помощью внешних шунтирующих FET.

Схема включения микросхемы LM3409 для аналоговой регулировки с использованием потенциометра показана на рисунке 6. Внутренний 5-мкА источник тока создает падение напряжения на RADJ, которое, с свою очередь, позволяет изменять порог внутренней чувствительности по току. С той же целью вывод IADJ может напрямую управляться от источника постоянного напряжения.

На рисунке 7 показан график зависимости тока светодиода от сопротивления потенциометра, включенного между выводом IADJ и GND. Плоский участок кривой при значении тока в 1 А соответствует максимальному номинальному току светодиода, который устанавливается резистором контроля тока RSNS, показанным на рисунке 4.

Рис. 8. Зависимость тока светодиода от напряжения на выводе IADJ

Оба варианта аналоговой регулировки просты в реализации и обеспечивают весьма линейные уровни снижения яркости светодиода вплоть до 10% от максимального значения.На рисунке 8 показан ток светодиода как функция напряжения на выводе IADJ. Заметим, что на этом графике виден тот же максимальный ток светодиода, установленный резистором RSNS.

Заключение

Существует множество методов регулировки яркости светодиодов, управляемых от импульсных стабилизаторов. Два основных вида регулировки — аналоговая и ШИМ-регулировка — имеют свои преимущества и недостатки. ШИМ-регулировка существенно снижает отклонение цвета свечения светодиода при изменении яркости за счет применения дополнительной логики для формирования ШИМ-сигнала. Аналоговая регулировка может быть более простой в реализации, но она не подходит для приложений, в которых требуется постоянная цветовая температура светодиодов.

Источник:
1. Rich Rosen. Dimming Techniques for Switched Mode LED Drivers//Power Designer, №126.
www.russianelectronics.ru

В процессе эксплуатации светодиодных лент часто возникает необходимость регулировки их яркости – этот процесс называется диммированием. В этой статье мы рассмотрим теоретические основы процесса регулировки яркости светодиодов и проанализируем классификацию современных устройств для реализации процесса диммирования.

Понятие цветовой температуры и индекса цветопередачи светодиода

Можно ли отрегулировать яркость светодиода, меняя ток, проходящий через светодиод? Нет, изменение тока приведет к изменению цветовой температуры светодиода. Например, белый свет при понижении тока приобретает зеленоватый оттенок. Рассмотрим основные понятия, связанные с цветовой температурой светодиодов. Цветовая температура – это визуальный эффект, который воспринимается человеческим глазом при работе светодиода. Этот параметр показывает, каким мы видим свет – тепло-желтоватым, нейтрально белым или голубовато-холодным. Чтобы обеспечить ту или иную цветовую температуру свечения светодиода, используются различные типы люминофора. От способа его нанесения, его химического состава и толщины слоя зависит цветовая температура и яркость светодиода.

Цветовая температура измеряется в Кельвинах (°K) и указывается в справочных таблицах. Чем ниже этот параметр, тем ближе свет к «теплому». Светодиоды подразделяются на несколько групп по цветовой температуре: лампы теплого свечения 2700–3500°K, нейтрального – 3500–5300°K; холодного – 5300–6800°K. Теплый свет используется для освещения жилых помещений, мест отдыха. Нейтральный – для офисов и производственных помещений. Холодные светодиоды применяются преимущественно в качестве аварийного освещения и на особо ответственных рабочих местах.

Стоит упомянуть еще один важный параметр, связанный с цветовой температурой, — индекс или коэффициент цветопередачи (color rendering index), характеризующий степень соответствия цвета тела видимому цвету при освещении определенным источником света. Под светом двух светодиодов с одинаковой цветовой температурой предметы в помещении могут иметь различный вид. Индекс светопередачи может варьироваться в пределах 0-100 Ra. Чем выше этот коэффициент, тем более правильно человек воспринимает цвета предметов в свете лампы. По сути, индекс цветопередачи – это показатель качества света.

Методы регулировки яркости светодиода

Для регулировки яркости светодиодной ленты используются два метода – широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и аналоговое управление.

• Аналоговое диммирование – это поддержание тока светодиода на постоянном уровне.
• ШИМ-диммирование – управление включением и выключением тока, проходящего через светодиод. Проще говоря, светодиод загорается и гаснет с периодичностью, незаметной для глаза человека. Спектр излучения остается неизменным, поэтому цветовая температура также сохраняется.

Рассмотрим суть метода ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для регулировки яркости светодиодной ленты. Ток подается на светодиод импульсами частотой от нескольких сотен до нескольких тысяч герц. Временные промежутки между импульсами равны десятым или сотым долям секунды. Для человека эти импульсы практически незаметны, поскольку глаз не способен воспринимать такие мерцания. Свет кажется равномерным и непрерывным. Чтобы светодиодная лента горела ярче, световой поток регулируется в определенном временном периоде. Для ШИМ-регулировки используются специальные устройства, корректирующие частоту импульсов. Изменяется не сам временный интервал импульсов, а длительность положительного импульса. Примечательно, что различные интервалы мерцания светодиода воспринимаются глазом как изменение яркости свечения.

Устройства для управления яркостью светодиодной ленты

Регулярное появление новых моделей светодиодов и светодиодных лент неразрывно связано с расширением ассортимента всевозможных интегральных схем для управления параметрами яркости освещения. Для реализации методов управления яркостью светодиодной ленты используются различные устройства, которые можно разделить на несколько категорий: механические, электронные, сенсорные, бесконтактные, дистанционные.

Перечень основных устройств, применяемых для управления яркостью светодиодной ленты:

• Стабилизаторы напряжения и линейные регуляторы (имеют низкий КПД, считаются устаревшими и применяются ограниченно).
• Диммеры – компактные импульсные преобразователи.
• Драйверы – импульсные источники питания.
• RGB-усилители – устройства, повышающие мощность RGB-светодиодов.
• RGB-контроллеры – устройства для управления многоцветными лентами.
• DMX-контроллеры – сложные профессиональные устройства, разработанные специально для проведения эффектных световых шоу. Современные модели управляются с компьютера с помощью специального ПО или имеют вид пультов с многочисленными кнопками и ручками.

Управление устройствами регулировки яркости светодиодных лент

Все устройства, регулирующие яркость светодиодных лет, управляются одним из следующих способов:

• Стационарное управление с помощью кнопок, расположенных на корпусе регулятора.
• Дистанционное управление с помощью инфракрасного пульта или радиочастотного передатчика.
• Ethernet, Wi-Fi или Bluetooth модули, позволяющие вести управление с компьютера или смартфона удаленно.
• Комбинированное управление, обеспечивающее возможность ручной и дистанционной регулировки.

Первоначально при появлении импульсных регуляторов их главным недостатком было мерцание света. Поэтому громоздкие и недостаточно эффективные аналоговые устройства находили широчайшее применение и не собирались сдавать свои позиции. Но с появлением более современных приборов с хорошими фильтрами, исключающими видимое мигание света, импульсный метод завоевывает рынок все более активно.

Мультибелая светодиодная лента с изменяемой цветовой температурой
В ассортименте светодиодных лент с изменяемой цветовой температурой (MIX-лент) появились новинки, расширяющие ряд двухканальных лент с изменяемой цветовой температурой. Плавная смена оттенков свечения обеспечивается за счет установки на плату двух видов светодиодов – теплого и холодного белого цвета. Управление лентами осуществляется с помощью контроллера, приобретаемого отдельно.

Особенностью ленты MICROLED White-MIX является малый размер светодиодов smd 2216. Несмотря на небольшой размер, светодиоды smd 2216 имеют отличную световую эффективность, обеспечивая правильное восприятие цветов и высокий световой поток. Плотность размещения светодиодов 240 LEDs/m позволяет создать яркое равномерное освещение без видимых точек.

Вторая новинка — лента White-MIX, на которой установлены современные светодиоды smd 2835 с улучшенными оптическими и электрическими характеристиками. Они обеспечивают отличную яркость света и хорошую цветопередачу.

Представленные модели являются лентами открытого типа и подходят для использования внутри помещений. Они будут актуальны для основного освещения, декоративной подсветки интерьера, подсветки пола, ступенек и создания дизайнерских светильников на основе алюминиевого профиля.

Правильный подбор управляющего оборудования поможет использовать возможности лент с максимальным комфортом.

Предлагаемые ниже комбинации оборудования SMART дают возможность включать/выключать свет, регулировать яркость и температуру свечения, управлять светом в 4 разных зонах, сохранять понравившиеся режимы: 

Контроллер SMART-K2-RGBW + радиопульт SMART-R22-MULTI:

Контроллер SMART-K1-RGB + радиопульт SMART-R16-MULTI:

Из серии SR-LUX можно выбрать:

Контроллер SR-1009EA + сенсорный пульт ДУ SR-2819S-CCT + роторная панель Rotary SR-2836R-CCT-RF-IN White:

Контроллер SR-1009FA-1 + сенсорный пульт ДУ SR-2819S-CCT + сенсорная панель Sens SR-2830B-AC-RF-IN White:

Создавайте уникальные сценарии освещения под ваше настроение!

 024504 Светодиодная лента 24V White-MIX 8mm (2216, 240 LED/m, LUX)
 024508 Светодиодная лента 24V White-MIX 2x (2835, 140 LED/m, LUX)
 017677 Сенсорный пульт SR-2819S-CCT (MIX, 4 зоны)
 021061 Панель Rotary SR-2836R-CCT-RF-IN White (3V, MIX)
 021063 Панель Sens SR-2830B-AC-RF-IN White (220V,MIX+DIM,4зоны)
 018268 Контроллер SR-1009FA-1 (12-36V, 240-720W)
 021836 Контроллер SR-1009EA-5CH (12-36V, 300-900W)
 022667 Пульт SMART-R16-MULTI (4 зоны, 2.4G)
 023473 Пульт SMART-R22-MULTI Black (4 зоны, 2.4G)
 022497 Контроллер SMART-K1-RGB (12-24V, 3x3A)
 022668 Контроллер SMART-K2-RGBW (12-24V, 4x5A)

OPTOMLEDS.RU — Высококачественное светодиодное оборудование и сопутствующие материалы для создания систем освещения различных уровней сложности.

▪️ Разработка светодиодных решений индивидуально, под заказ
▫️ Контроль качества производства
▪️ Широкий ассортимент продукции — более 5000 актуальных наименований 
▫️ Складская программа — более 80% наименований постоянно присутствует на складе
▪️ Совместимость устройств и удобный подбор товара
▫️ Техническое сопровождение — инструкции, схемы подключения, 3D-модели, IES-файлы
▪️ Техническая поддержка и гарантийное обслуживание
▫️ Отдел исследований и контроля качества: тестирования, испытания, входной контроль
▪️ Фотометрическая лаборатория для измерения параметров светотехнических устройств