Diskreter alternierender analoger LED-Fader mit linearer Helligkeitskurve - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Die meisten Schaltungen zum Einblenden / Dimmen einer LED sind digitale Schaltungen, die einen PWM-Ausgang eines Mikrocontrollers verwenden. Die Helligkeit der LED wird durch Ändern des Tastverhältnisses des PWM-Signals gesteuert. Bald stellt man fest, dass sich die LED-Helligkeit bei linearer Änderung des Tastverhältnisses nicht linear ändert. Die Helligkeit folgt einer logarithmischen Kurve, was bedeutet, dass sich die Intensität schnell ändert, wenn das Tastverhältnis von 0 auf sagen wir 70 % erhöht wird und sich sehr langsam ändert, wenn das Tastverhältnis von sagen wir 70 % auf 100 % erhöht wird. Genau der gleiche Effekt ist auch sichtbar bei Verwendung einer Konstantstromquelle und Erhöhung des Stroms linear fe indem man einen Kondensator mit konstantem Strom auflädt.

In diesem anweisbaren werde ich versuchen, Ihnen zu zeigen, wie Sie einen analogen LED-Fader herstellen können, der eine Helligkeitsänderung hat, die für das menschliche Auge linear zu sein scheint. Dies führt zu einem schönen linearen Fading-Effekt.

Schritt 1: Theorie hinter der Schaltung

In der Abbildung sieht man, dass die Helligkeitswahrnehmung einer LED aufgrund des Weber-Fechner-Gesetzes logarithmisch verläuft, dh das menschliche Auge hat wie die anderen Sinne eine logarithmische Kurve. Wenn die LED gerade anfängt zu "leiten", nimmt die wahrgenommene Helligkeit mit steigendem Strom schnell zu. Aber einmal "leitend", nimmt die wahrgenommene Helligkeit mit zunehmendem Strom langsam zu. Wir müssen also einen sich exponentiell ändernden Strom (siehe Bild) durch die LED schicken, damit das menschliche Auge (bei logarithmischer Wahrnehmung) die Helligkeitsänderung als linear wahrnimmt.

Dazu gibt es 2 Möglichkeiten:

• Closed-Loop-Ansatz
• Open-Loop-Ansatz

Closed-Loop-Ansatz:

Wenn Sie sich die Spezifikationen von LDR-Zellen (Cadmiumsulfid) genauer ansehen, werden Sie feststellen, dass der LDR-Widerstand als gerade Linie auf einer logarithmischen Skala gezeichnet ist. Der LDR-Widerstand ändert sich also logarithmisch mit der Lichtintensität. Darüber hinaus scheint die logarithmische Widerstandskurve eines LDR der logarithmischen Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges ziemlich nahe zu kommen. Aus diesem Grund ist der LDR ein perfekter Kandidat, um die Helligkeitswahrnehmung einer LED zu linearisieren. Wenn Sie also einen LDR verwenden, um die logarithmische Wahrnehmung zu kompensieren, wird das menschliche Auge über die schöne lineare Helligkeitsvariation erfreut sein. In der geschlossenen Schleife verwenden wir ein LDR zum Feedback und zur Steuerung der LED-Helligkeit, so dass es der LDR-Kurve folgt. Auf diese Weise erhalten wir eine sich exponentiell ändernde Helligkeit, die für das menschliche Auge linear erscheint.

Open-Loop-Ansatz:

Wenn wir keinen LDR verwenden und eine lineare Helligkeitsänderung für den Fader erzielen möchten, müssen wir den Strom durch die LED exponentiell machen, um die logarithmische Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges zu kompensieren. Wir brauchen also eine Schaltung, die einen sich exponentiell ändernden Strom erzeugt. Dies kann mit OPAMPs erfolgen, aber ich habe eine einfachere Schaltung entdeckt, die einen angepassten Stromspiegel verwendet, der auch als "Stromquadrater" bezeichnet wird, da der erzeugte Strom einer quadratischen Kurve folgt (semi-exponentiell). In diesem anweisbaren kombinieren wir beide Closed-Loop- und Open-Loop-Ansatz, um eine abwechselnde Fading-LED zu erhalten. Dies bedeutet, dass eine LED ein- und ausblendet, während die andere LED mit entgegengesetzter Fading-Kurve ein- und ausblendet.

Schritt 2: Schema1 - Dreieckiger Wellenformgenerator

Für unseren LED-Fader benötigen wir eine Spannungsquelle, die eine linear ansteigende und abfallende Spannung erzeugt. Wir wollen auch die Ein- und Ausblendzeit individuell verändern können. Dazu verwenden wir einen symmetrischen Dreieckwellengenerator, der aus 2 OPAMPs eines alten Arbeitspferdes aufgebaut ist: LM324. U1A ist als Schmitt-Trigger mit positiver Rückkopplung konfiguriert und U1B ist als Integrator konfiguriert. Die Frequenz der dreieckigen Wellenform wird durch C1, P1 und R6 bestimmt. Da der LM324 nicht genügend Strom liefern kann, wird ein Puffer bestehend aus Q1 und Q2 hinzugefügt. Dieser Puffer liefert die Stromverstärkung, die wir benötigen, um genügend Strom in die LED-Schaltung zu treiben. Die Rückkopplungsschleife um U1B wird vom Ausgang des Puffers genommen, anstatt vom Ausgang des OPAMP. weil OPAMPs keine kapazitiven Lasten (wie C1) mögen. R8 wird aus Stabilitätsgründen dem Ausgang des OPAMP hinzugefügt, da Emitterfolger, wie sie im Puffer (Q1, Q2) verwendet werden, auch Schwingungen verursachen können, wenn sie von einem niederohmigen Ausgang angesteuert werden. So weit, so gut, das Oszilloskop-Bild zeigt die Spannung am Ausgang des durch Q1 und Q2 gebildeten Puffers.

Schritt 3: Schematic2 - Closed Loop LED-Fader-Schaltung

Um die Helligkeit einer LED zu linearisieren, wird ein LDR als Rückkopplungselement in einer Closed-Loop-Anordnung verwendet. Da der LDR-Widerstand gegenüber der Lichtintensität logarithmisch ist, ist er ein geeigneter Kandidat, um die Aufgabe zu erfüllen. Q1 und Q2 bilden einen Stromspiegel, der diese Ausgangsspannung des Dreieckwellengenerators in einen Strom über R1 umwandelt, der sich im "Referenzzweig" befindet " des aktuellen Spiegels. Der Strom durch Q1 wird auf Q2 gespiegelt, so dass der gleiche Dreiecksstrom durch Q2 fließt. D1 ist da, weil der Ausgang des Dreieckwellengenerators nicht vollständig auf Null schwingt, weil ich kein Rail-to-Rail verwende, sondern ein Einfach erhältlicher Allzweck-OPAMP im Dreieckwellengenerator. Die LED ist an Q2 angeschlossen, aber auch an Q3, das Teil eines zweiten Stromspiegels ist. Q3 und Q4 bilden einen Stromquellenspiegel. (Siehe: Stromspiegel) Der LDR wird in den "Referenzzweig" dieses stromliefernden Spiegels gelegt, so dass der Widerstand des LDR den von diesem Spiegel erzeugten Strom bestimmt. Je mehr Licht auf den LDR fällt, desto geringer ist sein Widerstand und desto höher ist der Strom durch Q4. Der Strom durch Q4 wird auf Q3 gespiegelt, das mit Q2 verbunden ist. Jetzt müssen wir also in Strömen und nicht mehr in Spannungen denken. Q2 zieht einen Dreiecksstrom I1 und Q3 erzeugt einen Strom I2, der direkt mit der Lichtmenge zusammenhängt, die auf den LDR fällt und einer logarithmischen Kurve folgt. I3 ist der Strom durch die LED und ergibt sich aus dem linearen Dreiecksstrom I1 minus dem logarithmischen LDR-Strom I2, der ein exponentieller Strom ist. Und genau das brauchen wir, um die Helligkeit einer LED zu linearisieren. Da ein exponentieller Strom durch die LED getrieben wird, ändert sich die wahrgenommene Helligkeit auf lineare Weise, was einen viel besseren Fading-/Dimmeffekt hat, als nur einen linearen Strom durch die LED zu leiten. Das Oszilloskopbild zeigt die Spannung über R6 (=10E), die den Strom durch die LED darstellt.

Schritt 4: Schematic3 - Open Loop LED-Fader-Schaltung mit Current Squarer

Da LED/LDR-Kombinationen keine Standardkomponenten sind, suchte ich nach anderen Möglichkeiten, einen exponentiellen oder quadrierenden Strom durch eine LED in einer Open-Loop-Konfiguration zu erzeugen. Das Ergebnis ist die in diesem Schritt gezeigte Open-Loop-Schaltung. Q1 und Q2 bilden eine Stromquadratisierungsschaltung, die auf einem stromsenkenden Spiegel basiert. R1 wandelt die dreieckige Ausgangsspannung, die zuerst mit P1 geteilt wird, in einen Strom um, der durch Q1 fließt. Der Emitter von Q1 ist aber nicht über einen Widerstand mit Masse verbunden, sondern über 2 Dioden. Die 2 Dioden haben einen quadrierenden Effekt auf den Strom durch Q1. Dieser Strom wird auf Q2 gespiegelt, sodass I2 die gleiche Quadraturkurve hat. Q3 und Q4 bilden eine konstante Stromsenkenquelle. An diese Konstantstromquelle, aber auch an die Stromsenkenspiegel Q1 und Q2 ist die LED angeschlossen. Der Strom durch die LED ist also das Ergebnis des konstanten Stroms I1 minus des quadrierenden Stroms I2, der ein halbexponentieller Strom I3 ist. Dieser exponentielle Strom durch die LED führt zu einem schönen linearen Fading der wahrgenommenen Helligkeit der LED. P1 sollte so getrimmt werden, dass die LED beim Ausblenden einfach erlischt. Das Oszilloskopbild zeigt die Spannung über R2 (=180E), die den Strom I2 darstellt, der vom konstanten Strom I1 abgezogen wird.

Schritt 5: Schematic4 - Alternierender LED-Fader durch Kombinieren beider Schaltkreise

Da der LED-Strom in der Open-Loop-Schaltung im Vergleich zum LED-Strom in der Closed-Loop-Schaltung invertiert ist, können wir beide Schaltungen kombinieren, um einen abwechselnden LED-Fader zu erstellen, bei dem eine LED ein- und die andere ausblendet und umgekehrt.

Schritt 6: Bauen Sie die Schaltung auf

• Ich baue die Schaltung nur auf einem Steckbrett, also habe ich kein PCB-Layout für die Schaltung
• Verwenden Sie hocheffiziente LEDs, da diese bei gleichem Strom eine viel höhere Intensität haben als die älteren LEDs
• Um die LDR/LED-Kombination herzustellen, legen Sie den LDR (siehe Bild) und die LED gegenüberliegend in einen Schrumpfschlauch (siehe Bild).
• Die Schaltung ist für Versorgungsspannungen von +9V bis +12V ausgelegt.