Fader LED analogico alternato discreto con curva di luminosità lineare: 6 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:03

La maggior parte dei circuiti per attenuare/attenuare un LED sono circuiti digitali che utilizzano un'uscita PWM di un microcontrollore. La luminosità del LED è controllata modificando il duty cycle del segnale PWM. Presto scoprirai che quando si cambia linearmente il duty cycle, la luminosità del LED non cambia in modo lineare. La luminosità seguirà una curva logaritmica, il che significa che l'intensità cambia velocemente quando si aumenta il duty cycle da 0 a, diciamo, 70% e cambia molto lentamente quando si aumenta il duty cycle da, diciamo, 70% a 100%. Lo stesso effetto è anche visibile quando si utilizza una sorgente di corrente costante e si aumenta la corrente lineare fe caricando un condensatore a corrente costante.

In questo tutorial cercherò di mostrarti come puoi creare un fader LED analogico che ha un cambiamento di luminosità che sembra essere lineare per l'occhio umano. Ciò si traduce in un piacevole effetto di dissolvenza lineare.

Passaggio 1: teoria dietro il circuito

Nella figura si vede che la percezione della luminosità di un LED ha una curva logaritmica dovuta alla legge di Weber-Fechner, che dice che l'occhio umano, proprio come gli altri sensi, ha una curva logaritmica. Quando il LED inizia a "condurre" la luminosità percepita aumenta rapidamente con l'aumentare della corrente. Ma una volta "condotto", la luminosità percepita aumenta lentamente con l'aumentare della corrente. Quindi dobbiamo inviare una corrente che cambia esponenziale (vedi immagine) attraverso il LED in modo che l'occhio umano (con una percezione logaritmica) percepisca il cambiamento di luminosità come lineare.

Ci sono 2 modi per farlo:

• Approccio ad anello chiuso
• Approccio ad anello aperto

Approccio ad anello chiuso:

Osservando da vicino le specifiche delle celle LDR (solfuro di cadmio), vedrai che la resistenza LDR è disegnata come una linea retta su una scala logaritmica. Quindi la resistenza LDR cambia logaritmica con l'intensità della luce. Inoltre, la curva di resistenza logaritmica di un LDR sembra corrispondere alla percezione della luminosità logaritmica dell'occhio umano abbastanza vicino. Ecco perché l'LDR è un candidato perfetto per linearizzare la percezione della luminosità di un LED. Quindi, quando si utilizza un LDR per compensare la percezione logaritmica, l'occhio umano sarà soddisfatto della bella variazione lineare della luminosità. Nel circuito chiuso, usiamo un LDR per il feedback e il controllo della luminosità del LED, in modo che segua la curva LDR. In questo modo otteniamo una luminosità che cambia esponenzialmente che sembra essere lineare all'occhio umano.

Approccio ad anello aperto:

Quando non vogliamo utilizzare un LDR e vogliamo ottenere un cambiamento di luminosità lineare per il fader, dobbiamo rendere esponenziale la corrente attraverso il LED per compensare la percezione della luminosità logaritmica dell'occhio umano. Quindi abbiamo bisogno di un circuito che generi una corrente che cambia esponenzialmente. Questo può essere fatto con OPAMP, ma ho scoperto un circuito più semplice, che utilizza uno specchio di corrente adattato, chiamato anche "squadratore di corrente" perché la corrente generata segue una curva quadrata (semi-esponenziale). In questo istruibile, combiniamo entrambi i anello chiuso e l'approccio ad anello aperto per ottenere un LED a dissolvenza alternata. il che significa che un LED si accende e si spegne mentre l'altro LED si accende e si spegne con una curva di dissolvenza opposta.

Passaggio 2: Schema1 - Generatore di forme d'onda triangolari

Per il nostro fader LED, abbiamo bisogno di una sorgente di tensione che generi una tensione lineare crescente e decrescente. Vogliamo anche essere in grado di modificare individualmente il periodo di dissolvenza in entrata e in uscita. A questo scopo utilizziamo un generatore di forme d'onda triangolare simmetrico costruito utilizzando 2 OPAMP di un vecchio cavallo di battaglia: LM324. U1A è configurato come trigger schmitt utilizzando feedback positivo e U1B è configurato come integratore. La frequenza della forma d'onda triangolare è determinata da C1, P1 e R6. Poiché l'LM324 non è in grado di fornire una corrente sufficiente, viene aggiunto un buffer costituito da Q1 e Q2. Questo buffer fornisce il guadagno di corrente di cui abbiamo bisogno per guidare abbastanza corrente nel circuito LED. L'anello di retroazione intorno a U1B è preso dall'uscita del buffer, invece dall'uscita dell'OPAMP. perché gli OPAMP non amano i carichi capacitivi (come C1). R8 viene aggiunto all'uscita dell'OPAMP per motivi di stabilità, perché i follower dell'emettitore, come quelli utilizzati nel buffer (Q1, Q2) possono anche causare oscillazioni quando pilotati da un'uscita a bassa impedenza. Finora, tutto bene, l'immagine dell'oscilloscopio mostra la tensione all'uscita del buffer formato da Q1 e Q2.

Passaggio 3: Schema2 - Circuito del fader LED ad anello chiuso

Per linearizzare la luminosità di un LED, viene utilizzato un LDR come elemento di retroazione in una disposizione ad anello chiuso. Poiché la resistenza LDR rispetto all'intensità della luce è logaritmica, è un candidato adatto per svolgere il lavoro. Q1 e Q2 formano uno specchio di corrente che converte la tensione di uscita del generatore di forme d'onda triangolare in una corrente tramite R1, che si trova nella "gamba di riferimento " dello specchio attuale. La corrente attraverso Q1 è speculare a Q2, quindi la stessa corrente triangolare scorre attraverso Q2. D1 è lì perché l'uscita del generatore di forme d'onda triangolare non oscilla completamente a zero, perché non sto usando un rail-to-rail ma un OPAMP per uso generico facilmente ottenibile nel generatore di forme d'onda triangolari. Il LED è collegato a Q2, ma anche a Q3, che fa parte di un secondo specchio di corrente. Q3 e Q4 formano uno specchio di generazione di corrente. (Vedi: Specchi di corrente) L'LDR è posto nella "gamba di riferimento" di questo specchio di acquisizione di corrente, quindi la resistenza dell'LDR determina la corrente generata da questo specchio. Più luce cade sull'LDR, minore è la sua resistenza e maggiore sarà la corrente attraverso Q4. La corrente attraverso Q4 è speculare a Q3, che è collegata a Q2. Quindi ora dobbiamo pensare in correnti e non più in tensioni. Q2 assorbe una corrente triangolare I1 e Q3 genera una corrente I2, che è direttamente correlata alla quantità di luce che cade sull'LDR e segue una curva logaritmica. I3 è la corrente attraverso il LED ed è il risultato della corrente triangolare lineare I1 meno la corrente LDR logaritmica I2, che è una corrente esponenziale. Ed è esattamente ciò di cui abbiamo bisogno per linearizzare la luminosità di un LED. Poiché una corrente esponenziale viene pilotata attraverso il LED, la luminosità percepita cambierà in modo lineare, il che ha un effetto di attenuazione/attenuazione molto migliore rispetto al semplice passaggio di una corrente lineare attraverso il LED. L'immagine dell'oscilloscopio mostra la tensione su R6 (=10E), che rappresenta la corrente attraverso il LED.

Passaggio 4: Schema3 - Circuito di fader LED ad anello aperto utilizzando Current Squarer

Poiché le combinazioni LED/LDR non sono componenti standard, ho cercato altri modi per generare una corrente esponenziale o di quadratura attraverso un LED in una configurazione ad anello aperto. Il risultato è il circuito ad anello aperto mostrato in questo passaggio. Q1 e Q2 formano un circuito di quadratura della corrente basato su uno specchio che assorbe la corrente. R1 converte la tensione di uscita triangolare, che viene prima divisa usando P1, in una corrente, che scorre attraverso Q1. Ma l'emettitore di Q1 non è collegato a massa tramite un resistore, ma tramite 2 diodi. I 2 diodi avranno un effetto di quadratura sulla corrente attraverso Q1. Questa corrente è speculare a Q2, quindi I2 ha la stessa curva di quadratura. Q3 e Q4 formano una sorgente di assorbimento di corrente costante. Il LED è collegato a questa sorgente di corrente costante ma anche allo specchio assorbitore di corrente Q1 e Q2. Quindi la corrente attraverso il LED è il risultato della corrente costante I1 meno la corrente di quadratura I2, che è una corrente semi-esponenziale I3. Questa corrente esponenziale attraverso il LED si tradurrà in un piacevole sbiadimento lineare della luminosità percepita del LED. P1 dovrebbe essere regolato in modo che il LED si spenga quando si spegne. L'immagine dell'oscilloscopio mostra la tensione su R2 (=180E), che rappresenta la corrente I2, che viene sottratta dalla corrente costante I1.

Passaggio 5: Schema4 - Fader LED alternato combinando entrambi i circuiti

Poiché la corrente del LED nel circuito ad anello aperto è invertita rispetto alla corrente del LED nel circuito ad anello chiuso, possiamo combinare entrambi i circuiti per creare un fader LED alternato in cui un LED si attenua mentre l'altro si spegne e viceversa.

Passaggio 6: costruire il circuito

• Costruisco solo il circuito su una breadboard, quindi non ho un layout PCB per il circuito
• Utilizzare un LED ad alta efficienza perché questi hanno un'intensità molto più elevata alla stessa corrente rispetto ai LED più vecchi
• Per realizzare la combinazione LDR/LED, metti l'LDR (vedi immagine) e il LED uno di fronte all'altro in un tubo termoretraibile (vedi immagine).
• Il circuito è progettato per una tensione di alimentazione da +9V a +12V.