Dimmer-Effekt (Fade) auf 12-V-LED mit Transistor und Arduino

Sie verwenden PNP-Transistoren in einer Situation, in der NPN viel besser geeignet wäre.

Aus diesem Grund würde ich persönlich einen N-Kanal-MOSFET anstelle von BJT wählen.

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R1 muss für den Stromfluss Ihrer LED dimensioniert werden. R2 wird verwendet, um den MOSFET ausgeschaltet zu halten, während das Arduino das IO nicht aktiv ansteuert (es startet im INPUT-Modus, während der Bootloader 2 Sekunden lang läuft).

Stellen Sie sicher, dass Sie einen MOSFET wählen, der a) den benötigten Strom verarbeiten kann und b) ein Logikpegel- MOSFET mit a ist$V_{GS}$von nicht mehr als ein paar Volt.

Ich war versucht, einfach zusätzliche Notizen hinzuzufügen, jetzt, wo Sie später angegeben haben, was Sie brauchen$I_{pk}=1A$für Ihre LED. Aber es scheint besser, alles auf der Grundlage der neuen Informationen zu überarbeiten und die irrelevanten Teile und Fragen, die ich zuvor gestellt hatte, fallen zu lassen und einfach auf den Punkt zu kommen.

(Ihre Verwendung eines PNP, insbesondere weil Sie von einem 0-5-V-E / A-Pin kommen und den PNP-BJT direkt an +12 anschließen, ist mit Problemen behaftet, auf die Sie vermutlich gestoßen sind.)

Lassen Sie uns also die Anforderungen noch einmal formulieren, meine Bedenken ein wenig besprechen und einen Schaltplan für Ihre PWM-Schaltung erstellen.

Zunächst einmal gehe ich davon aus, dass Sie keine Strombegrenzung benötigen. Wenn Sie eine Spannungsquelle liefern, die in der Lage ist, nahezu zu liefern$12V$an die LED, dann sollte es genau richtig funktionieren. Dann ist keine Schaltung erforderlich, um ihm zu helfen.

Zweitens gehe ich davon aus, dass Sie eine haben$12V$Stromversorgungsschiene, die für Ihre Verwendung ausgelegt ist. Wenn Sie sagen, dass Sie brauchen$1A$, ich gehe mal davon aus, dass dein Netzteil das problemlos verträgt und trotzdem die Nennleistung erreicht$12V$Ausgangsspannung.

Drittens gehe ich davon aus$1A$ist Ihr maximal benötigter Strom und Sie erwarten, dass Sie von dort aus mit PWM dimmen. Nicht, dass Sie einen anderen Spitzenstrom benötigen, wo sagen wir$50\%$Einschaltdauer ist das Äquivalent von$1A$Helligkeit.

Viertens, um ganz sicher zu sein und Platz für andere E / A-Pins zu schaffen, um bei Bedarf auch Strom zu liefern, gehe ich davon aus, dass Sie nur eine maximale Senke / Quelle von erwarten sollten$3mA$von Ihrem Ausgangspin. Denken Sie daran, dass Ihr Mikro viele E/A-Pins hat und dass einige dieser E/A-Strukturen auf dem Chip dicht beieinander liegen. Wenn Sie anfangen, viele E/A für verschiedene Dinge zu verwenden und größere Annahmen treffen, basierend auf der Idee, dass die Spezifikationen Ihnen das Maximum sagen, das ein E/A verarbeiten kann, könnten Sie trotzdem in Schwierigkeiten geraten, weil Sie es nicht getan haben Einschränkungen der gesamten CPU oder bestimmter Ports der CPU berücksichtigt werden. (Weniger ist natürlich besser. Und ich bin mir ziemlich sicher, dass es etwa das Dreifache bewältigen kann.) Also werde ich mich strikt an diese Zahl halten. Sie können andere Entscheidungen treffen.

BJTs, die für die Handhabung ausgelegt sind$1A$befinden sich normalerweise in TO-220- oder TO-3-Verpackungen. Aber selbst der niedrige 2N2222A wird als Dauerleistung eingestuft$600mA$(unter ungewöhnlichen Umständen und niedriger$\beta$wegen der aktuellen Überfüllung sowieso.) Aber im Allgemeinen ist dies gerade genug über die Leitung, dass Sie nicht viel Zeit damit verschwenden sollten, nach kleinen Signalverpackungen zu suchen. Dies gilt auch für MOSFETs. Gehen wir also davon aus, dass Sie entweder ein TO-220- oder ein TO-3-Gehäuse für Ihren Treibertransistor verwenden werden. Sobald Sie diese Entscheidung getroffen haben, beginnt der Kostenunterschied zwischen BJT und MOSFET zu verschwinden. Also ist jede Wahl wahrscheinlich eine gute. In meinem Fall bleibe ich bei einem BJT. Andere bieten einige gute MOSFET-Auswahlmöglichkeiten. Jedem das Seine.

Kommen wir zum Schaltplan:

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Ich habe tatsächlich Datenblätter verwendet, um sicherzustellen, dass ich eine Situation bereitstelle, die funktioniert, unabhängig von vernünftigen Abweichungen in den Teilen. Die erforderliche Strombelastung an Ihrem E / A-Pin wird wahrscheinlich sein$500\mu A$, sollte aber in fast allen Fällen kleiner sein als$1mA$. Das ist sogar noch besser, als ich vorher gehofft hatte.

Eine Sorge betrifft die Geschwindigkeit. Aber es sollte auch funktionieren, wenn Sie es a füttern$100kHz$Rechteckwelle bei$50\%$Auslastungsgrad. Also ich denke, es wird in Ordnung sein. Du könntest entfernen$R_3$, da die I/O wohl schon ca$100\Omega$Ausgangsimpedanz dazu.$R_3$geht es hauptsächlich um Schwingungssorgen, wo ich mir nicht so viele Sorgen mache. Aber das Hinzufügen eines sofort macht es einfacher zu ändern.

Ich habe dort einige Leistungsberechnungen hinzugefügt. Ich mache mir hier hauptsächlich Sorgen$Q_2$, was ungefähr aussieht$700mW$wenn eingeschaltet und aktiv. Das ist in Ordnung, wenn Sie einen BJT für diese Position bekommen können, der so viel in die Luft auflösen kann. Sie könnten jedoch den größten Teil dieser Leistung stattdessen auf einen Widerstand verteilen. Der neue Schaltplan würde wie folgt aussehen:

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Ich habe mich für einen anderen entschieden$R_4=39\Omega$Widerstand zum Hinzufügen in die Schaltung, weil es vielleicht einfacher ist, mindestens zwei von ihnen zu bekommen$1W$als zwei verschiedene Werte zu erhalten. Der Wert könnte also vielleicht größer gemacht werden$R_4=47\Omega$wäre gut. Aber auch wie es gezeigt wird,$Q_2$zerstreut sich jetzt nur noch$\frac{1}{4}W$. Und dies ist wahrscheinlich mit den meisten Geräten unter den meisten Umständen sehr gut machbar. Aber wenn Sie verwendet$R_4=47\Omega$,$Q_2$Die Dissipation von sinkt dann auf etwa$150mW$.

Der Zweck für$R_4$ist es, einen Teil des erforderlichen Spannungsabfalls aufzunehmen, damit der Kollektor von$Q_2$muss nicht so hoch greifen . Diese überträgt Verlustleistung ab$Q_2$Zu$R_4$. Es spielt keine Rolle, wo der Spannungsabfall stattfindet, daher ist dies eine harmlose Möglichkeit, die Verlustleistung vom BJT wegzubewegen. Ansonsten hat es keinen wirklichen Einfluss auf die Funktion der Schaltung.

Denken Sie jedoch auch daran, dass Sie Widerstände benötigen, die etwas Wärme abführen können$R_2$(Und$R_4$, falls verwendet.) Sollte mindestens bewertet werden$1W$. ($R_1$Und$R_3$zerstreuen sich zu wenig, um sich Sorgen zu machen.)

ANMERKUNGEN ZUM MENSCHLICHEN SEHEN:

Nun zu Neuigkeiten. Das Folgende ist mein eigenes Schreiben, das jedoch aus einigen Erfahrungen stammt.

Das Talbot-Plateau-Gesetz auf dem Gebiet der visuellen Wahrnehmung besagt, dass, wenn eine Lichtquelle schnell genug blinkt, um die kritische Flicker-Fusionsfrequenz (CFF) zu überschreiten, die Helligkeit so erscheint, „als ob“ die Lichtquelle wäre ständig mit der zeitlich gemittelten Leuchtdichte betrieben. Mit anderen Worten, wenn Sie die Lichtquelle mit der doppelten Leuchtdichte, aber nur der Hälfte der Zeit betreiben (50 % an und 50 % aus, schnelleres Flackern als der CFF), dann scheint sie die gleiche Leuchtdichte zu haben wie die ähnliche betriebene Lichtquelle bei geringerer Leuchtdichte.

Dieses Talbot-Plateau-Gesetz spiegelt sich in Ihrer PWM-Frequenzwahl wider. Machen Sie es schnell genug, um das Auftreten von Flimmern zu beseitigen.

Denken Sie daran, dass der Betrieb eines Lichts mit einem Arbeitszyklus von 50 % über dem CFF nicht bedeutet, dass es halb so hell erscheint wie eines, das 100 % der Zeit betrieben wird. Dies bedeutet, dass der Betrieb eines Lichts mit 50 % Einschaltdauer (und schneller als der CFF) es mit der gleichen Helligkeit erscheinen lässt wie ein anderes, das mit halber Leuchtdichte betrieben wird. Es gibt einen Bedeutungsunterschied.

Der Grund, warum es bei einem Arbeitszyklus von 50 % nicht "halb so hell" aussieht, ist, dass das menschliche Auge nach einem anderen Gesetz arbeitet, dem Weber-Fechner-Gesetz. Dieser besagt, dass die Intensität der Logarithmus der physikalischen Reize ist.

Naja fast. Es gibt noch zwei andere, den Broca-Sulzer-Effekt und den Bruecke-Bartley-Effekt, die bei Flickerfrequenzen unterhalb des CFF arbeiten. Bei einer Einschaltdauer von etwa 50 ms und einer Ausschaltdauer von 50 ms erscheint beispielsweise eine blinkende Lichtquelle heller als die zeitlich gemittelte Leuchtdichte ... in offensichtlicher Verletzung des Talbot-Plateau-Gesetzes. Aber das Talbot-Plateau-Gesetz gilt nicht bei so niedrigen Frequenzen, also ist es nicht wirklich ein Verstoß.

Tatsächlich gibt es im Bereich der visuellen Optik und Optometrie viele „Gesetze“. Dies sind nur drei oder so von vielen mehr.

Das sanfte Variieren der LED-Intensität, wie es das menschliche Auge wahrnimmt, ist nicht so einfach wie das lineare Variieren des PWM-Tastverhältnisses. Unsere Augen reagieren ungefähr logarithmisch (Weber-Fechner-Gesetz, bereits erwähnt). Dies ist eine biologische Notwendigkeit. Wir müssen unsere Augen am helllichten Tag, am Mittag, am Äquator benutzen. Und wir müssen sie immer noch in einer dunklen, mondlosen Nacht verwenden. Um mit all dem fertig zu werden, haben unsere Augen Reaktionen entwickelt, die eher logarithmisch variieren. (Wie das Weber-Fechner-Gesetz besagt.)

Wenn wir uns fragen, "die Helligkeit linear anzupassen", sollte dies ungefähr (Schätzung 1. Ordnung) bedeuten, dass wir den Strom in einer LED exponentiell variieren müssen. (Unsere Augen werden den Logarithmus davon nehmen und die resultierende „Kurve“ abflachen.) Das bedeutet, dass wir einen anderen Ansatz wählen müssen, als nur zu versuchen, den Strom (oder das PWM-Tastverhältnis) linear oder einfach zu variieren Geben Sie diese Idee auf und tun Sie, was „leicht fällt“.

Dies bedeutet, dass das Tastverhältnis in einem PWM prozentual (effektiv geometrisch) angepasst werden muss, um sich einer Exponentialfunktion anzunähern. Auf diese Weise nehmen unsere Augen eine lineare Änderung der LED-Leistung wahr.

Endeffekt? Wenn Sie nur das PWM-Tastverhältnis in festen Schritten linear anpassen, erhalten Sie nicht wirklich etwas, das für das Auge glatt aussieht.

Ich dachte nur, ich würde das einwerfen, um dein Leben zu komplizieren.

(Und dann werde ich etwas besprechen, das Ihr Verständnis ein wenig weiter vorantreiben könnte und auch hier nicht behandelt wurde.)

Sie verwenden den PNP-Transistor als Emitterfolger. Bei dieser Anordnung mit 5 Volt vom Arduino kann der Emitter des Transistors nicht mehr als etwa 4,3 Volt betragen.

Sie sollten einen NPN-Transistor wie 2N3904 mit geerdetem Emitter, einem Widerstand von etwa 1 K zwischen Arduino und Basis und der LED und dem Strombegrenzungswiderstand zwischen dem Kollektor und Ihrer positiven Versorgung verwenden.

Wenn Ihre 12-V-LED bei etwas unter 12 V ausreichend hell und bei etwas über 6 V ausreichend dunkel ist, können Sie einen pnp-Emitter-Folger verwenden, um sie so anzusteuern. Beachten Sie jedoch, dass eine 5-V-Eingabe die LED dunkel und eine 0-V-Eingabe macht sie Licht. Wenn der obige LED-Strom weniger als 20 mA beträgt, können Sie ihn direkt an das Arduino anschließen (ohne den Transistor zu verwenden).

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