Плавное чередование яркости свечения светодиодов (лент)

Конструкция предназначена для управления плавным розжигом и погасанием двух светодиодных лент, с чередованием яркости их свечения. Не содержит микроконтроллеров, требующих программирования и выполнена на деталях широкого применения (интегральных таймерах 555 и дешевом операционном усилителе в режиме компаратора), благодаря чему может быть легко повторена начинающими. Областями применения могут быть тюнинг автомобиля/скутера, подсветка рекламных щитов/вывесок, светящиеся сувениры и т.п. Схема приведена на рис. 1.

Рис.1 Схема электрическая принципиальная

Конструкция содержит два генератора линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН), выполненных на таймерах 555 (КР1006ВИ1) DA2 и DA3. Первый ГЛИН (DA2) - треугольного напряжения (отклонение от скважности 2 составляем менее 1%) с низкой частотой (0,35...0,7 Гц). Второй ГЛИН (DA3) - пилообразного напряжения с существенно более высокой частотой (400 Гц).  Выходы 3 таймеров остаются свободными, а выходные сигналы обоих генераторов снимаются непосредственно с времязадающих конденсаторов С5 и С7 и поступают на входы компараторов, выполненных на сдвоенном операционном усилителе (ОУ) широкого применения LM358 (DA4). Причем, если неинвертирующий вход первого компаратора (DA4.1) подключен к выходу первого (низкочастотного) ГЛИН, а инвертирующий - к выходу второго (высокочастотного) ГЛИН, то входы второго компаратора (DA4.2) - наоборот. Выходы компараторов подключены к затворам полевых транзисторов VT1 и VT2, работающих в ключевом режиме, стоки которых, свою очередь, нагружены светодиодными лентами. Стабильно напряжение питания управляющей части обеспечивается интегральным стабилизатором DA1, хотя, по большому счету, он опционален (необязателен) и может быть применен если только основное питание "зашумлено" помехами (например, в авто с плохим электрическим контактом с аккумуляторной батареей) и вызывает сбои в работе. Светодиодные ленты запитываются непосредственно от входного напряжения.

Пилообразные выходные напряжения генераторов сравниваются между собой компараторами, формирующими на своих выходах широтно-модулированные импульсы, скважность которых пропорциональна уровню выходного напряжения первого ГЛИН. На Рис. 2 показаны эпюры напряжений на входах и выходах компаратора DA4.1. На выходе компаратора DA4.2 сигнал будет инверсным по отношению к нижней эпюре.

Рис. 2  Эпюры электрических сигналов на выходе компаратора DA4.1

Схема отсимулирована в Мультисиме (поскольку такая цацка лично мне не нужна - так, "гимнастика для ума"). Результат симуляции показан на рис. 3.

Рис. 3  Эпюры противофазных выходных напряжений обоих компараторов (результат симуляции в Мультисиме)

Частота работы первого ГЛИН регулируется переменным резистором R2. Если регулировка не требуется, его можно исключить. Если требуется иная частота, чем указана, она обеспечивается пропорциональным изменением емкости С5. Точное поддержание частоты второго ГЛИН именно 400 Гц, в принципе, также не важно. Она выбрана такой только из тех соображений, что и строб-эффект вследствие импульсного управления яркостью будет незаметен и выход компараторов (DA4) не будет сильно нагружаться перезарядкой затворной емкости полевых транзисторов. Вполне возможен диапазон 100...600 Гц. 

Теперь несколько соображений по поводу возможных изменений конструкции в зависимости от конкретных требований к ней. 

1) Вместо полевых транзисторов (их номенклатура весьма широка и обусловлена лишь "доставабельностью") вполне возможно использование мощных биполярных. Для этого нужно только увеличить сопротивление резисторов R5 и R8 до 0,47...1 кОм. Единственным недостатком такой замены является неполное использование напряжения питания вследствие наличия напряжения насыщения между их коллектором и эмиттером, составляющим от 1,5 В (в транзисторах старых разработок) до 0,3...0,5 В (новых разработок). В качестве относительного преимущества можно отметить разве что возможность вынуть из "загашника" и поставить в схему.

2) Два отдельных таймера 555 можно заменить одним сдвоенным 556 в 14-выводном корпусе. Никаких изменений в схеме это не потребует. Разве что нумерация выводов будет иной.

3) При стационарном питании светодиодных лент от понижающего трансформатора с 12-вольтовой вторичной обмоткой выпрямленное и отфильтрованное напряжение ДО стабилизатора DA1 (в этом случае он желателен) составит 15 В, что существенно повысит ток через светодиодную ленту вплоть до резкого сокращения времени ее работоспособности. Можно, конечно, поставить еще один стабилизатор для питания лент, но можно пойти и другим путем: применить вместо ключевых транзисторов VT1 и VT2 управляемые стабилизаторы тока. Они могут быть выполнены как на биполярных (Рис. 4 а), так и на полевых транзисторах (Рис. 4 в). Такое же схемотехническое решение применяется и если нужно управлять не светодиодными лентами, уже содержащими в своем составе токоограничительные транзисторы, а цепочками отдельных светодиодов, например, мощными по 1...5 Вт. Вход одной из этих схем подключается непосредственно к выходам компараторов (вместо резисторов R5 и R8).

Рис. 4  Управляемый стабилизатор тока для светодиодов. Схема электрическая принципиальная

Собственно стабилизатор тока выполнен на регулирующем транзисторе VT4(6). Напряжение на его базе (затворе) при наличии управляющего напряжения на входе (левый вывод резистора R3/R6) задается таким, чтобы на его эмиттерном (истоковом) резисторе R5(8) падение напряжения составляло 0,7 В, которое приоткрывает дополнительный транзистор VT3(5), между коллектором и эмиттером которого поддерживается напряжение, обеспечивающее нужный уровень приоткрывания транзистора VT4(6). Т.о., номинал эмиттерного (истокового) резистора R5(8) в Омах определяется по закону Ома R = U / I, где U - напряжение на резисторе R5(8) = 0,7 В, а I - нужный ток через нагрузку в амперах.

Поскольку данная конструкция предназначена в основном для начинающих, следует обратить особое внимание на ее настройку. Иначе получается анекдотичная ситуация: плата протравлена, распаяна но не работает, как надо. Осциллографа нет. Мультиметр - хорошо, если имеется. Опыта - ноль (почти). И на форумах раздается слезный вопль о помощи...

Итак, начинаем "с конца".

1) Впаиваем ключевой транзистор (полевой или биполярный) и затворный (базовый) резистор, подключаем к его стоку (коллектору) светодиодную ленту. Подаем питание. Перемыканием свободного вывода затворного (базового) резистора поочередно на общий минус и на шину питания добиваемся погасания и зажигания ленты.

2) Впаиваем компаратор. К одному из его входов (неважно, какому) временно подпаиваем среднюю точку резистивного делителя из резисторов равных номиналов (в диапазоне от 1 до 100 кОм - не принципиально), включенного между питанием и общей шиной , обеспечивающий подачу на этот вход компаратора половины напряжения питания. Ко второму входу также подпаиваем временный резистор 1...10 кОм. Подаем питание. Свободный вывод этого дополнительного резистора подключаем либо к общей шине, либо к питанию. Лента также должна гаснуть (зажигаться) / зажигаться (гаснуть).

3) Впаиваем первый таймер с его обвязкой (R1R2R3C5C6). Отпаиваем временный резистор, который в п.2 перемыкали на общий/питание. На втором входе еще остается временный делитель! Подключаем питание. Лента должна мигать с частотой работы первого ГЛИН (гаснуть или загораться полностью!).

4) Впаиваем второй таймер  с его обвязкой (R4C7C8). Убираем временный делитель. Включаем питание. Любуемся результатом (плавным изменением яркости ленты с частотой работы первого генератора).

Если на каком-то из этапов описанные выше результаты не наблюдаются - ищем допущенные косяки именно в данном каскаде. А косяков в электротехнике может быть всего два: а) отсутствие контакта там, где он должен быть (непропай, обрыв резистора, нерабочий компонент, протрав дорожки) и б) наличие контакта там, где он быть должен (перемычка из припоя, пробой конденсатора и т.п.). 

Печатная плата под эту конструкцию не разрабатывалась, т.к. ее топология очень сильно зависит от а) геометрических размеров примененных деталей; б) корпуса, предназначенного для "упаковки" платы. Ну, и самому надо же над чем-то поработать, а не тупо "копипастить".

Успехов!

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Светодиод
• ШИМ
• 555
• ОУ