ШИМ-модуляторы для плавного управления яркостью гирлянд

Два ШИМ-контроллера, выполненные на нескольких ИМС стандартной логики, предназначены для управления яркостью световых рекламных табло. Яркость плавно нарастает в течение 5 с, а затем убывает. Первый вариант контроллера с линейной зависимостью изменения скважности выходных импульсов от времени управляет световой вывеской с обычными лампами накаливания. Для управления светодиодной гирляндой предназначен второй вариант контроллера с экспоненциальным выходом.

Сигнал с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) — это импульсный сигнал постоянной частоты и переменной скважности, т.е. с переменным отношением периода следования к длительности импульсов. С помощью задания скважности (длительности импульсов) можно менять среднее значение уровня сигнала на выходе ШИМ. В нашем случае это означает изменение яркости гирлянды световых элементов.

ШИМ-модуляторы находят широкое применение в электронных устройствах (управление оборотами электродвигателей, яркостью экранов сотовых телефонов, стабилизация выходного напряжения импульсных источников питания и пр.).

Для плавного управления яркостью светового табло, светоизлучающие элементы которого — лампы накаливания, можно использовать первый вариант ШИМ-контроллера, схема которого показана на рис.1.

В его состав входят:

• генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.1, DD1.2, R1, С1;
• схема сброса в исходное состояние DD1.3, R2, R3, С2;
• счетчик-формирователь временных интервалов DD2;
• счетчик-формирователь двоичных кодов DD3;
• одновибратор-формирователь стробирующих импульсов на элементах DD4.1, DD4.2, СЗ, R4;
• формирователи двоичных кодов (коэффициентов деления) на элементах DD5.1...DD5.4 и DD6.1 ...DD6.4;
• делитель с переменным коэффициентом деления на реверсивных счетчиках DD7, DD8;
• RS-триггер-формирователь выходной ШИМ-последовательности;
• ключевая схема на транзисторах VT1...VT3.

Синхронизацию всей схемы выполняет генератор прямоугольных импульсов на элементах DD1.1 и DD1.2, работающий с частотой около 26 кГц. При этой частоте генератора частота импульсов выходной ШИМ-последовательности составляет около 100 Гц. Такой частоты вполне достаточно для плавного управления яркостью ламп накаливания без их мерцания.

В начальный момент времени двоичные счетчики DD2 и DD3 находятся в нулевом состоянии. По мере поступления счетных импульсов задающего генератора на вход DD2, в какой-то момент времени на выходе его восьмого разряда Q8 (выводе 13) формируется отрицательный перепад, запускающий одновибратор на элементах DD4.1 и DD4.2, который формирует на выходе короткий отрицательный импульс, стробирущий реверсивные счетчики DD7, DD8 и обнуляющий RS-триггер на элементах DD4.3, DD4.4. При этом ключевой транзистор VT1 закрыт, a VT2, VT3 — открыты, и на выходе устройства присутствует уровень лог.«0».

Поскольку счетчик DD3 находится в нулевом состоянии, на выходе его девятого разряда «Q9» также лог.«0», поэтому все элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD5.1...DD5.4 и DD6.1 ...DD6.4 работают как повторители входного сигнала. На входы предустановки счетчиков DD7 и DD8 поступает выходной код счетчика DD3. Счётные импульсы с выхода задающего генератора поступают на суммирующий вход (вывод 5) счетчика DD7 и обеспечивают его работу в режиме суммирования. При переполнении этого счетчика на его выходе переноса «+CR» (выводе 12) формируются отрицательные импульсы, которые являются счетными для DD8. При переполнении последнего на его выходе переноса «+CR» также формируется отрицательный импульс, который перебрасывает RS-триггер DD4.3-DD4.4 в противоположное единичное состояние, что означает появление на выходе устройства лог.«1». Таким образом, при нулевом состоянии счетчика DD3 на выходе устройства будут формироваться короткие положительные импульсы, соответствующие максимальной скважности, а значит, максимальной яркости гирлянды.

По мере увеличения состояния счетчика DD3 на его выходах нарастает двоичный код, поступающий на входы предустановки счетчиков DD7 и DD8. Интервал времени от момента стробирования (предустановки) двух последних счетчиков до момента формирования на выходе переноса счетчика DD8 отрицательного импульса уменьшается. Соответственно, уменьшается время пребывания RS-триггера DD4.3-DD4.4 в нулевом состоянии, а значит, уменьшается скважность выходных импульсов контроллера. Яркость гирлянды плавно снижается примерно в течение 5 с.

При достижении счетчиком DD3 своего 256-го состояния, на выходе его девятого разряда «Q9» формируется лог.«1», которая поступает на нижние по схеме выводы элементов DD5.1...DD5.4 и DD6.1...DD6.4, и эти элементы работают в режиме инверсии входных сигналов. Для счетчиков DD7 и DD8 это означает подачу на их входы предустановки убывающих двоичных кодов, что определяет режим работы устройства как режим с нарастающей скважностью выходной ШИМ-последовательности. Время нахождения RS-триггера DD4.3-DD4.4 в нулевом состоянии возрастает, поскольку увеличивается интервал между воздействием обнуляющего импульса и появлением на выходе счетчика DD8 отрицательного выходного импульса при переполнении последнего. Таким образом, яркость гирлянды возрастает до момента появления на выходе девятого разряда счетчика DD3 «0». Далее цикл работы устройства полностью повторяется.

Микросхемы контроллера питаются от интегрального стабилизатора DA1 типа КР142ЕН5А. Контроллер выполнен на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 90x87 мм.

В устройстве применены ИМС серий КР1561, КР1554 и КР1564, постоянные резисторы — типа МЛТ-0,125, МЛТ-2, подстроечные — СПЗ-38б. Оксидные конденсаторы — К50-35 или импортные, неполярные — К10-17. Для питания устройства от сети 220 В применен малогабаритный импульсный блок питания китайского производства в цилиндрическом пластмассовом корпусе, рассчитанный на выходное напряжение 12 В и ток 750 мА. Ключевой транзистор VT3 (КТ819) необходимо установить на металлический радиатор с площадью поверхности не менее 100 см². Плата контроллера размещается в стандартной пластмассовой разветвительной коробке подходящего размера.

Схема второго варианта контроллера показана на рис.2.

В нём, в отличие от предыдущего варианта, используется делитель с переменным коэффициентом деления на счетчиках DD3, DD4. Это необходимо для получения экспоненциальной зависимости скважности выходного ШИМ-сигнала от времени для управления светодиодной гирляндой. Как известно, зависимость яркости светодиодов от протекающего тока имеет нелинейный характер. В результате, в области малых токов яркость нарастает относительно быстро, а в области больших — медленнее. Чтобы компенсировать визуально нелинейное нарастание яркости, во втором варианте реализована экспоненциальная зависимость изменения скважности выходной ШИМ-последовательности от времени. В остальном принцип работы контроллера не отличается от первого варианта.

Контроллер выполнен на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм и размерами 70x110 мм. Устройство запитывается от блока питания светодиодной гирлянды напряжением 12 В. Ключевой транзистор VT1 при токах нагрузки до 5 А в радиаторе не нуждается. Для получения необходимого времени нарастания и убывания яркости гирлянд частоту задающего генератора устанавливают около 52 кГц (точное значение — 52428 Гц). При этом частота импульсов выходной ШИМ-последовательности контроллера составляет около 200 Гц.

В этом устройстве, как и в первом, применены ИМС серий КР1561, КР1554 и КР1564, постоянные резисторы —типа МЛТ-0,125, МЛТ-2, подстроечные — СПЗ-38б. Оксидные конденсаторы — К50-35 или импортные, неполярные — К10-17.

Отзывы и вопросы по данным устройствам можно направлять на адрес электронной почты автора E-mail: A_Odinets@tut.by

Оригинал статьи http://cxem.net/sound/light/light86.php