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.
Содержание статьи
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.
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.
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:
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.
Подробнее про широтно-импульсную модуляцию:
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.
Устройство диммируемых светодиодных ламп:
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.
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.
Источник
Как регулировать яркость светодиодной лампы — какой выключатель с диммером лучше выбрать
Светодиодные источники света являются современными, экономичными и эффективными. Для регулирования яркости и уровня освещенности в лампе есть специальное устройство – диммер. Регулирование подсветки позволяет экономить энергию и создавать разную атмосферу в помещении.
Принцип работы и конструкция
Диммер – это элемент, позволяющий плавно менять интенсивность искусственного освещения, включать и выключать лампочки, удаленно управлять светом. Регулировка осуществляется за счет изменения напряжения и, соответственно, мощности прибора. Это можно сделать путем добавления нагрузки – балластных резисторов, конденсаторов, дросселей. В светодиодных лампах регулировка производится с помощью диммеров.
Не к каждому светодиодному источнику света можно подключить диммер. Для стабильной регулировки освещения нужны специальные регуляторы или устройства с ШИМ функцией. К лампочке важно подобрать правильный регулятор, так как от его схемотехники будет зависеть качество изменения освещения.
Работает диммер по типу реостата. Напряжение или ток меняются в результате изменения сопротивления. Сейчас активно используются полупроводниковые регуляторы – симисторы и динисторы, работающие по принципу ШИМ.
Экономия электричества – это важнейшее достоинство диммируемых устройств перед обычными источниками света. С помощью регулирования уровня света лампа не будет гореть все время на полную мощность и, соответственно, потреблять большой объем электроэнергии. Такое использование приводит и к увеличению срока службы светильника.
Регуляторы на 220 В и 12 В имеют конструктивные отличия. Простейшие механизмы, которые мастера могут сделать в домашних условиях, выполняют функцию изменения интенсивности света. Современные модели имеют более широкий функционал – например, функция «Сон», при которой яркость поддерживается на уровне 30% от полной. Также есть функция «доброе утро», когда интенсивность увеличивается, или «спокойной ночи», когда свет становится более приглушенным.
Диммеры являются важной составляющей системы «умный дом». Важной функцией регуляторов является система аварийного освещения. При работе от аккумулятора или батареи ресурс работы увеличивается за счет уменьшения яркости.
Разновидности диммеров
Классификация регуляторов производится по разным признакам: тип напряжения в цепи, вид управляющего сигнала, способ монтажа, исполнение.
По напряжению в сети регуляторы света можно разделить на две группы:
По виду управляющего сигнала различают диммеры для светодиодов:
По способу установки выделяется несколько типов:
По способу управления:
Самыми дорогими являются сенсорные световые регуляторы. Это современные устройства, которые могут управляться голосовыми командами, движениями, хлопками.
Критерии выбора
Светодиодные источники света могут быть регулируемыми и нерегулируемыми. Это нужно учитывать при покупке. Регуляторы должны выбираться с учетом следующих аспектов:
При выборе регулятора нужно отдавать предпочтение проверенным известным брендам. К ним относятся Schneider Electric, Legrand, Makel, АВВ и другие. Некачественный товар неизвестного происхождения может привести к поломке лампы. Также брать устройства нужно в специализированных магазинах. Там продавец поможет с выбором диммера, даст советы по подключению и расскажет об условиях гарантии.
Расчет максимального количества ламп
Общее число лампочек выбирается, исходя из предельной мощности диммера. Расчет производится с учетом типа помещения, вида ламп.
Для расчета нужно разделить предельную величину регулятора на мощность одной лампочки. Полученное значение – это количество подключаемых источников света. В расчете при подключении к электросети 220 В максимальную мощность светорегулятора нужно разделить на 10, а затем снова разделить на нагрузку светодиодного источника.
Способ регулировки освещенности
Диммеры переменного тока различаются не только исполнением, но и способом регулировки. К ним относятся:
Первые – самые дешевые и простые устройства. На нагрузку подается остаток полуволны, ее первая половина срезается. При включении возникают помехи, которые могут помешать работе бытовых устройств. Такие диммеры используются для специальных светодиодных ламп. Понять, подходит ли лампочка, можно по надписям на упаковке.
Второй тип подходит под большее число ламп и работает без помех. Регулировка проводится лучше, но в определенном диапазоне не с нуля.
В отдельную группу выносятся светильники со встроенной регулировкой яркости. Они имеют в своем составе светодиодную матрицу, драйвер, колбу и сам регулятор. Дополнительные диммеры устанавливать для таких осветительных устройств не нужно.
Самостоятельная установка регулятора
Установку диммера для светодиодных ламп 220 В можно выполнить самостоятельно. Мастер должен иметь минимальные знания в области электроприборов и соблюдать технику безопасности.
Пошаговый алгоритм установки:
После можно включать электричество и тестировать собранную систему. По плавному изменению подсветки можно судить, что сборка проведена корректно.
Монтаж может незначительно отличаться для разных типов диммеров и устройств от разных фирм. Обязательно следует читать инструкцию, идущую в комплекции.
Возможные ошибки при монтаже
Установка диммера не вызывает сложности, но новички могут допустить ряд ошибок. К типичным проблемам относятся:
Последние 2 ошибки являются самыми распространенными. Перед началом монтажа нужно убедиться, что диммер подходит под лампочку, и только после этого начинать установку.
Самостоятельное изготовление диммера
Простейший регулятор можно собрать своими руками. Для этого потребуется:
Все электронные компоненты нужно установить на плате по схеме диммера: при поступлении тока с резисторного элемента на конденсатор будет происходить зарядка и подаваться напряжение на лампу. Компоненты нужно соединить между собой при помощи пайки. На плате нужно сделать отверстия, которые будут служить в качестве выводов. После сборки нужно провести тестирование собранного диммера.
Источник