Управление 10 мощными светодиодами с помощью Raspberry Pi

Управление 10 мощными светодиодами с помощью Raspberry Pi

Я пытаюсь понять, как управлять 10 Luxeon Rebel LED (700 мА) от Raspberry Pi. Я хочу иметь возможность включать и выключать их из кода, но мне не нужно включать два или более светодиодов одновременно, всегда по одному светодиоду за раз.

Прежде всего, я не очень разбираюсь в электронике, поэтому некоторые вопросы могут показаться очевидными. Я провел небольшое исследование и, прежде чем заказывать все детали, хотел бы узнать, не ошибся ли я.

Я планирую использовать этот драйвер BuckPuck для управления светодиодами. Я подумал, что мог бы поставить светодиоды параллельно и использовать транзистор 2N2222 в качестве переключателя. Это лучший путь?

Чтобы найти значение резисторов R2, R4, R6 и т. Д., Я использовал усиление, указанное в техническом описании (30), и базовое значение эмиттера (0,6 В / 1,2 В). GPIO Raspberry PI составляет 3,3 В, это 3,3 — 0,7 = 2,6 В и 23,3 мА = 111 Ом. Это правильно или я что-то не так понимаю?

Нужно ли мне резистор между светодиодом и транзистором, и если мне нужно, как я нашел значение?

Наконец, я хотел бы иметь возможность регулировать яркость света с помощью ШИМ, кажется, это возможно с помощью выводов CTRL и REF BuckPuck, но я не совсем понимаю, как это работает.

Вот схема, показывающая только три светодиода (при 10 светодиодах изображение было слишком маленьким).

oks2024

Общий принцип управления яркостью свечения

Управляя скоростью модуляции ШИМ (Pulse Width Modulation, PWM) можно регулировать силу свечения светодиода – данный принцип пояснен на следующем рисунке.

Если на представленном рисунке выключатель будет замкнут на протяжении некоторого времени, то на протяжении этого же времени лампочка будет гореть. Если переключатель будет замкнут в течение 8ms и будет разомкнут 2ms в течение интервала 10ms, тогда лампочка будет гореть только в течение интервала 8ms. В рассмотренном примере можно сказать, что среднее выходное напряжение (на лампочке) будет составлять 80% от напряжения батареи.

В другом случае выключатель замыкается на 5ms и размыкается на эти же самые 5ms в течение интервала 10ms, таким образом среднее напряжение на лампочке будет составлять 50% от напряжения батареи. Принято говорить, что если напряжение батареи 5В и цикл занятости составляет 50%, то среднее напряжение на оконечном устройстве (лампочке) будет составлять 2.5В.

В третьем рассмотренном на рисунке случае цикл занятости составляет 20% и поэтому среднее напряжение на оконечном устройстве (лампочке) будет составлять 20% от напряжения батареи.

В микроконтроллере ATmega32 мы имеем четыре ШИМ канала (PWM channels), которые обозначаются как OC0, OC1A, OC1B и OC2. В нашей схеме мы будем использовать канал OC0 для изменения яркости свечения светодиода.

Как регулировать яркость светодиода резистором

Однажды, на Киевском радиорынке, я наткнулся на прикольный светодиод. Точнее даже не просто светодиод, а три в одном. На общей звездообразной подложке находится сразу три кристалла – зеленый, красный и синий, что, теоретически, позволяет получить любой цвет.

По заявлениям продавца, каждый из трех кристаллов готов был поглотить 1Вт электрической мощности и выдать не намного меньше световой.

Я давно хотел устроить себе цветное освещение комнаты. И вот выдался случай.

Драйвер светодиода

Ахтунг, меня попросили написать эту секцию поподробнее, поэтому многабуфкаф!

Яркость светодиода зависит от тока, который проходит через него. Светодиоды, как и обычные диоды обладают одним неприятным моментом – падение напряжения на них сильно зависит от температуры.

Падение уменьшается с увеличением температуры, а это – очень подло. Давайте представим, что будет, если воткнуть светодиод напрямую в источник напряжения.

Итак, светодиод включился, и начал светиться. Вместе с этим он начал нагреваться. Из-за нагрева, падение уменьшилось, ток возрос, светодиод начал еще сильнее нагреваться. В конце-концов ток через диод превышает предельно допустимый и диод сгорает.

Если светодиод совсем маломощный, то для его питания достаточно просто прицепить резистор. Резистор нужно выбрать так, чтобы максимальный ток при полностью разогретом диоде не превышал допустимый.

У включения с резистором есть существенный недостаток – на резисторе рассеивается очень много мощности. К примеру, мой светодиод потребляет 350мА и падение на нем – 3В. Мощность, передаваемая в диод – 1.05 Вт. Пусть схема питается от 12 вольт. В таком случае необходимо поставить резистор (12-3)/0.35 = 25 Ом. На резисторе будет рассеиваться 5.76 Вт – а это, скажу вам, некислая печка. КПД включения с резистором получилось равным 18%. Ужасный результат.

И вот тут появляются импульсные драйвера. Пример драйвера, который я использовал в своей лампочке.

Естественно, он слеплен из деталюшек, которые валялись у меня прямо здесь и сейчас, однако вполне работоспособен.

Принцип работы очень прост – ключ Q2 отрывается и через диод и катушку L3 начинает течь ток. Когда ток достигает номинального для диода, транзистор закрывается, а ток в диоде поддерживается за счет энергии, накопленной в катушке L3. Так происходит 180килораз в секунду.

Ток через диод определяется резистором R11.

КПД такого источника составляет 70-80%. Минимальное напряжение питания – 9В. Максимальное ограничено напряжением пробоя затвора Q2 и составляет 20В. Этот драйвер может выдавать мощность до сотен ватт при соответствующем Q2.

Внимание, можете не пытаться сделать сколь-либо вменяемый драйвер на mc34063. Драйвер работать будет, но проблем не оберетесь – светодиод будет моргать из-за дискретности регулирования ШИМа, индуктор будет влетать в насыщение из-за полу-автогенераторного принципа работы. Не повторяйте моих ошибок!

Схема лампы

Итак, с драйвером разобрались. Осталось прилепить три таких драйвера к контроллеру и написать прошивку. Получившаяся схема:

Комментировать особо нечего. Ну, кроме аудио усилителя. Если вдруг меня потянет сваять цветомузыку на базе этой лампы, то не придется ничего паять.

Собранная железяка выглядит так

Линейная регулировка яркости

Человеческое восприятие нелинейно. Если увеличить яркость светодиода с 1 до 2 то это будет восприниматься совсем не так, как если увеличить яркость с 101 до 102.

Практически все органы чувств человека имеют логарифмическую зависимость выхода от входа. Это позволяет нам одними и теми-же глазами смотреть и ночью и днем.

Если мы будем плавно увеличивать средний ток через светодиод, то сначала воспринимаемая яркость резко возрастет, а потом скорость нарастания яркости уменьшится.

Для того, чтобы скомпенсировать  это явление, я сделал табличку экспоненты. Яркость получилась вполне линейная, за исключением центрального участка, где скорость ее изменения немного замедляется. Однако скомпенсировать это место – слишком сложная задача, потому как воспринимаемая яркость зависит еще и от цвета. Оставим это производителям мониторов.

Алгоритм

Алгоритм изначально был очень простой. Случайным образом выбирается целевой цвет и скорость изменения цвета, а потом просто движемся по трем компонентам цвета к целевому, пока не достигнем.

HSV->RGB

После того, как лампочка была собрана, я заметил что большую часть времени она светится некрасивыми ненасыщенным цветом. Поэтому я решил перейти от RGB представления цвета к HSV. Что такое HSV знает википедия.

Теперь я случайным образом выбираю цветовой тон, а насыщенность и яркость у меня стоят на максимуме. Получается намного красивей. Траектория изменения цвета в HSV системе показана на картинке:

Прошивка

Написана на си и скачать ее можно тут:

Я использовал atmega88, а ресурсов там просто завались. Поэтому никакой оптимизации.

Результаты

Естественно, в реале это выглядит значительно круче. Но составить представление вы сможете. Скорость изменения цвета сильно увеличена чтобы сделать видюшник покороче.

Лазерные диоды

Лазерный диод похож на обычные прозрачные светодиодные, но производит Laserwith высокой интенсивности. В лазерном луче число атомов вибрируют в такой цикле, что всё испускаемое излучение одной длины волны в фазе друг с другом. Лазерный свет является монохроматическим и проходит в виде узкого пучка. Луч типичных лазерных диодов составляет 4 мм х 0,6 мм, которая расширяется только до 120 мм на расстоянии 15 метров.

Лазерный диод может включаться и выключаться на более высоких частотах даже выше, чем 1 ГГц. Так что это весьма полезно в телекоммуникационных системах.Поскольку лазер генерирует тепло на поражение тканей тела, он используется в хирургии, чтобы исцелить поражения в очень чувствительных частей, как сетчатки, головного мозга и т.д. лазерные диоды являются важными компонентами в проигрывателях компакт-дисков, чтобы получить данные, записанные в компакт-дисках.