ШИМ-регулятор на AVR

Вашему вниманию представлена схема, позволяющая регулировать яркость светодиодной ленты при помощи Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ, англ. PWM). Данная методика широко используется в мощных контроллерах, так как, в отличие от регулировки напряжения, не вызывает перекоса яркости у отдельных сегментов и гораздо более экономична.

Особенности:

• 2 независимых канала ШИМ (с разнесением фаз на 180°);
• Напряжение питания: 8 - 20 V;
• Рабочий ток нагрузки: 3.4 A/канал (при питании 12 V эквивалентно 40 W);
• Низкие потери в силовом ключе (сопротивление открытого канала 45 mΩ);
• Опциональная Гамма-коррекция позволяет равномерно регулировать яркость;
• Защита от всплесков на входе (аналоговая и программная фильтрация);
• Собственное энергопотребление менее 10 mA (0.12 W @ 12 V);
• Высокая частота ШИМ (~18.75 kHz) не вызывает стробоскопического эффекта и усталости глаз при управлении светодиодной лентой.

Устройство основано на микроконтроллере ATtiny13A, который анализирует входные напряжения на выводах PB3 и PB4, пересчитывает их и выводит ШИМ-сигналы с соответствующим заполнением на выводы PB0 и PB1. Эти сигналы поступают на полевые транзисторы T1 и T2, которые в свою очередь коммутируют мощные нагрузки (в данном примере - светодиодную ленту).

Перемычка J1 задаёт режим работы устройства: когда она установлена в нижнее (по схеме) положение, заполнение ШИМа линейно зависит от напряжения на соответствующем входе. Когда перемычка установлена в верхнее положение микроконтроллер пересчитывает значение требуемого заполнения ШИМ при помощи таблицы значений. В результате получается гамма-кривая, т. е. уровень яркости подстроен под чувствительность человеческого глаза. График зависимости выходного заполнения от входного напряжения приведён ниже:

Зелёный график - перемычка J1 в нижнем положении, синий - в верхнем

Особенности ШИМ-генератора

В отличие от "классического" Fast PWM в данной схеме используется Phase-correct PWM со сдвигом каналов на 180 градусов друг относительно друга. Ниже показано, как работают оба алгоритма.

По иллюстрации видно, что по возможности каналы в режиме Phase-correct со сдвигом 180° включаются поочерёдно, тем самым нагрузка распределяется более равномерно по времени, пересечение обоих сигналов минимально. Уменьшаются просадки напряжения на вводных проводах, а следовательно паразитная связь каналов по питанию минимизируется.

Компоненты

Схема не требовательна к точному подбору компонентов, большинство деталей можно заменять на аналогичные похожего номинала. Например если у Вас нет переменных резисторов на 100 кОм, то можно поставить 50 кОм или 500 кОм, при этом схема будет продолжать исправно работать. В качестве T1 и T2 можно установить почти любой транзистор серии IRLML (учитывая коммутируемый ток)
Если Вам не нужен второй канал, то можно убрать R2, R4, C2 и T2, а вывод PB4 микроконтроллера заземлить (PB1 при этом оставить неподключенным)

Для индикации использованы 3 светодиода (3мм зелёного свечения) с резисторами 1 кОм, подключенные анодами ко входу питания 12V, а катодами к стокам транзисторов и к минусу питания. Дополнительно, параллельно керамическому конденсатору С3 подключен электролитический конденсатор 100µF, помогающий сгладить пульсации сети. Его установка не обязательна, но желательна.

Прошивка

Микроконтроллер рекомендуется прошивать до впайки на плату или внутрисхемно, но при этом не устанавливая транзисторы T1 и T2, т. к. лишняя ёмкость на линии может мешать при прошивке.

Конфигурация фьюзов показана ниже: 

На скриншоте галочка означает 0 - запрограммированный фьюз. Для Вашего удобства фьюзы описаны в комментариях в файле main.asm.

Настройка сводится к установке перемычки J1 в желаемое положение. После этого устройство готово к работе.

В заключение пара фото (ручки на переменных резисторах ещё не одеты):

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• ШИМ
• AVR
• Atmel
• Sprint-Layout
• Микроконтроллер