PC Press: Kontroler za LED rasvetu

Osobine različitih rasvetnih tela već smo detaljno obradili, a sada ćemo se pozabaviti izgradnjom kontrolera za regulaciju kućne LED rasvete

Voja Antonić

Da bismo počeli eksperimente sa LED rasvetom, potreban nam je veći broj LED-ova, nekoliko otpornika, kao i (po mogućstvu stabilisani) ispravljač napona. Ako koristimo gotove LED trake, one već imaju ugrađene SMD LED-ove i otpornike, pa ostaje da ih samo priključimo na ispravljač od 12 V.

Možda ćete u prvom trenutku biti razočarani efektom ovih LED traka, jer je intenzitet svetla koju one daju nizak: da bismo prosečnu sobu “napunili” svetlošću, trebaće nam oko 1000 LED-ova prosečnog kvaliteta, što je oko 20 metara trake. Ovo nije baš jeftino, jer kod nas jedan kotur od 5 metara košta između 7000 i 16000 dinara, zavisno od svetlosne snage ugrađenih LED-ova. Kupovinom jeftinijih traka nećemo uštedeti, naprotiv – jedan lumen svetlosti dobijen od LED-ova nižeg intenziteta često je skuplji od lumena koji su proizveli kvalitetniji LED-ovi.

Ovde bi ceo eksperiment mogao da se završi – kupili smo LED trake, zalepili ih na odgovarajuće površine, spojili sa ispravljačem i uključili ga. Možda ćemo biti zadovoljni efektom a možda nećemo, i to će biti sve.

Čemu kontroler?

Za razliku od ostalih rasvetnih tela, kod LED-ova je lako regulisati intenzitet osvetljenja, a da se boja svetla ne promeni. Zašto ne iskoristiti tu mogućnost? Ako imamo stabilisani ispravljač sa mogućnošću regulacije izlaznog napona, onda je stvar još jednostavnija, jer je u njemu na neki način već sadržan kontroler. Ovakvi ispravljači su skupi i ne dozvoljavaju mogućnost programiranja rasvete za više svetlosnih grupa, pa ćemo za naš projekat koristiti stabilisani ispravljač sa fiksnim naponom od 12 V, a regulaciju jačine obaviti na drugi način. Naravno, moguće je koristiti i neki drugi napon, ali onda treba voditi računa o električnim karakteristikama komponenata koje ugrađujemo.

Kontroler za rasvetu, grubo rečeno, ima izlaze sa kojih se napajaju LED-ovi, ulaze kojima možemo da uključujemo pojedine grane izlaza, kao i da regulišemo jačinu svetla na svakom od njih. Ako na različite grane izlaza postavljamo LED-ove različitih boja, onda postoji i mogućnost izbora boje svetla, a najbolje je da to bude rešeno tako da najpre odaberemo boju iz spektra, da regulišemo zasićenje te boje (od bele do potpuno zasićene odabrane boje) bez promene ukupne jačine, kao i jačinu svetla bez promene boje. Takođe je dobro da imamo brz pristup memorisanim konstantama (koji se u teoriji rasvete zovu motivi) za različite situacije – večera, druženje sa gostima, gledanje televizije, rad na kompjuteru, noćno svetlo itd. Neki luksuzni kontroleri kao upravljačko mesto koriste TFT ekran sa touch screen-om, uglavnom za regulaciju složenog osvetljenja velikih prostorija.

Postoje kontroleri koji dozvoljavaju da se unapred programira dnevni ili čak nedeljni program rasvete, pa da se sve promene obavljaju automatski – zgodno za poslovne primene, ali je malo verovatno da će se pokazati korisnim u našim domovima. Druga mogućnost, koja deluje veoma privlačno, jeste da se postavi spoljni senzor jačine svetla, pa da se rasveta u enterijeru automatski prilagođava spoljnim uslovima tako da deluje kao optimalna dopuna dnevnom svetlu. Tako će u sumrak lagano uključivati svetlo sa dominantnom plavom komponentom, a kako sve više pada mrak, pojačavaće intenzitet i spuštati temperaturu boje svetla ka žutoj, što će doprineti doživljaju noćne atmosfere.

Koje LED-ove koristiti?

Ako želite da investirate u LED rasvetu i imate dovoljno volje i vremena da se potrudite da je rešite tako da radi dugo i dobro, nabavite LED-ove veće snage, koji su prilagođeni za osvetljenje i obavezno se montiraju na metalnu površinu za hlađenje. Njihova nazivna snaga je 1 W ili 3 W (mada ima i jačih), ali je odnos njihove snage (kao i cena) 1:2, jer se prve napajaju maksimalnom strujom od 350 mA, a druge sa 700 mA. Pad napona na crvenim LED-ovima je oko 2 V (jačina struje minimalno utiče na ovaj napon), na žutim nešto malo veći, a na belim, zelenim i plavim oko 3,4 V, pa lako možete da izračunate koja je njihova nazivna snaga.

U slučaju da ste u nedoumici, radije kupite veći broj LED-ova snage 1 W. Troškovi će biti isti, trebaće vam nešto više truda za montažu većeg broja LED-ova, ali će hlađenje kristala biti efikasnije pa možete očekivati duži radni vek. Osim toga, rasveta će biti prijatnija za oko i lakše je ostvariti difuzno svetlo ako ono dolazi iz većeg broja svetlećih tačaka manje snage.

Na tržištu ima najviše LED-ova u takozvanom Emitter i u Star kućištu, a razlika je samo u tome što Emitter treba montirati na specijalnu štampanu ploču koja se nalazi na aluminijumskoj podlozi za hlađenje, a Star kućište se sastoji od Emitter LED-a montiranog na šestougaonu aluminijumsku podlogu koju treba pričvrstiti na hladnjak, pa se spajanje izvodi žicama. Zato je verovatnije da ćete se opredleiti za Star varijantu, tim pre što je razlika u ceni minimalna.

Izolatori i montaža

Ovde počinju problemi. Star kućište nije baš prilagođeno amaterskoj primeni, koja nas zanima, pa je montaža LED-ova komplikovana. Pogledajte priloženi crtež i obratite pažnju na šest usečenih proreza kroz koje bi trebalo da prođu zavrtnji (naravno, ne kroz svih šest, nego samo kroz dva naspramna). Oni su “plitko” usečeni ka centru šestougaone aluminijumske osnove LED-a, pa treba pažljivo postaviti zavrtnje da bi sve dovoljno čvrsto stajalo. Da stvar bude gora, aluminijumska osnova nije izolovana od izvoda za napajanje LED-a nego je u kratkom spoju sa pozitivnim polom, pa treba preduzeti posebne mere kako bi se izolovala od metalnog hladnjaka. To podrazumeva upotrebu liskunskog ili teflonskog izolatora, kao i izolacionih podloški za zavrtnje, koje se inače koriste za izolaciju snažnih tranzistora od hladnjaka, pa mogu da se kupe u prodavnicama elektroničarskog materijala.

Ako nismo te sreće da nabavimo teflonske izolatore nego liskunske, treba koristiti pastu za odvođenje toplote, kako bi se poboljšao termički kontakt i olakšalo hlađenje. Mala je verovatnoća da ćemo pronaći izolatore koji su svojim dimenzijama prilagođeni Star LED-ovima, pa će nam trebati malo veštine i truda da postojeće izolatore za velike tranzistore prilagodimo potrebi.

Kao hladnjak možemo da koristimo običan aluminijumski lim debljine 1 ili 1,5 mm, ili odgovarajući aluminijumski profil koji se dobro uklapa u dizajn rasvetnog tela. Ako za svaki LED snage 1 W imamo oko 30 do 50 cm2 metalne površine, možemo da očekujemo da će hlađenje biti dovoljno dobro da drži temperaturu kristala LED-a na sigurnoj temperaturi koja mu neće skratiti radni vek. Povoljnije je ako hladnjak stoji vertikalno, ako kućište rasvete nije zatvoreno ili bar ako postoje prorezi za ventilaciju, kao i ako je hladnjak obojen crno. Forsirano hlađenje ventilatorom nije potrebno, osim u posebnim slučajevima kada se koriste LED-ovi veoma velike snage.

Otpornici koji su na šemama obeleženi samo slovom R služe da definišu struju kroz LED-ove – treba ih pažljivo proračunati. Najpre treba izmeriti ili pročitati iz kataloga pad napona na LED-ovima (koji je, zavisno od boje LED-a, između 1,8 i 3,5 V), opredeliti se za broj serijski vezanih LED-ova tako da do punog napona (od 12 V ili 24 V) preostane barem 2 V, i taj napon će predstavljati pad napona na serijskom otporniku. Onda se treba samo opredeliti za to kojom strujom ćemo napajati LED-ove (350 ili 700 mA) i primeniti Omov zakon da se izračuna potreban otpor. Ne zaboravite da izračunate i potrebnu snagu otpornika.

Jednostavni kontroler

Uobičajen princip regulacije jačine svetla LED-a je takozvana širinska modulacija, ili PWM (Pulse Width Modulation). To  znači da kontroler vrlo brzo uključuje i isključuje LED-ove snažnim prekidačkim tranzistorom, tako da se treperenje ne vidi, a subjektivni utisak jačine svetla zavisi od toga koliki je radni režim (duty cycle), odnosno koji je odnos vremena kada je tranzistor neprovodan i provodan.

Učestanost širinske modulacije (koliko puta u sekundi se ponavlja ceo ciklus isključeno-uključeno) može da varira u širokom opsegu. Mada je po teoriji dovoljno da to bude 50 Hz, većina ljudi će videti ovo kao neugodno treperenje, pa je dobro da to bude bar 100 Hz. To je dovoljno da ljudsko oko percipira isprekidano svetlo kao kontinualno. Ipak, pri brzom pokretu oka možemo da primetimo da je čak i ovakav izvor “iseckan” kratkim bljeskovima, pa se 200 Hz smatra donjom granicom učestanosti za regulaciju rasvete. Gornja granica teoretski ne postoji, ali će pri učestanostima od nekoliko KHz početi da dolaze do izražaja nesavršene prelazne karakteristike prekidačkih tranzistora, zbog čega će se oni pojačano grejati.

Jednostavan kontroler sa širinskom modulacijom možemo da napravimo pomoću kola NE555, koje se često koristi za vremenske sklopove. To je jeftino integrisano kolo u pakovanju sa 8 nožica, koje je lako naći u prodavnicama elektroničarskog materijala. Regulacija jačine svetla (od oko 4% do 96%) vrši se običnim potenciometrom, a na učestanost širinske modulacije može da se utiče izborom kondenzatora C1 (Za 100 nF, kao na šemi, učestanost je oko 200 Hz). Ovakvo kolo je dovoljno dobro za većinu aplikacija u kojima nam treba samo regulacija jačine svetla kod belih LED traka.

Maksimalna izlazna struja koju možemo da dobijemo od sklopa sa prve šeme zavisi od strujnog pojačanja izlaznog tranzistora, jer je maksimalna bazna struja (koju kolo NE555 može da isporuči na svom izlazu) samo 50 mA. Većina snažnih tranzistora ima minimalan stepen strujnog pojačanja 15, pa će tako maksimalna izlazna struja biti 15*50 mA = 750 mA, ali je kod velike većine tranzistora stepen strujnog pojačanja iznad 50, tako da je i dozvoljena kolektorska struja znatno viša.

Za zahtevnije primene, preporučuje se sklop sa druge šeme, gde su u izlaznom stepenu upotrebljena dva tranzistora. Maksimalna izlazna struja ovog sklopa je 15 A, naravno uz odgovarajuće hlađenje izlaznog tranzistora.

Mikroprocesorski kontroler

Znatno bolji kontroler rasvete možemo da sagradimo sa mikrokontrolerom. U ovom projektu upotrebljen je PIC18F2525, koji je u kućištu sa 28 nožica, pa je veći broj nožica ostao neiskorišćen. Isti rezultat dobili bismo i sa PIC18F1220 ili PIC18F1320, koji imaju po 18 nožica, uz minimalne izmene u softveru.

Ovde su, umesto bipolarnih tranzistora, kao izlazni drajveri korišćeni MOS tranzistori IRFZ48N, koji dozvoljavaju izlaznu struju od čak 64 A, a parazitni otpor je samo 0,016 oma, što omogućava regulaciju veoma velike snage uz minimalno zagrevanje. Verovatno je da će, pri eventualnom kratkom spoju, ovaj tranzistor pre spaliti svaki ispravljač koji nema zaštitu od kratkog spoja, nego što će sam pregoreti.

Problem sa MOS tranzistorima je što imaju relativno veliki ulazni kapacitet između gejta i sorsa (čak i do 2 nF) pa, ako rade u brzom prekidačkom režimu, moraju da se pobuđuju iz kola niske impedanse, kako bi se izbegli neželjeni efekti prelaznog režima. U ovom projektu korišćeno je kolo TC4426, ali je moguće upotrebiti i neko slično. Otpornici između pobudnog kola i izlaznog tranzistora čine standardnu zaštitu ulaza MOS tranzistora a, ako se kao izlazni drajver koristi IRFZ48N, onda zener dioda od 15 V može da se izostavi, jer ovaj tranzistor već sadži zaštitu od prenaponskih tranzijenata na gejtu.

Ako kontroler pobuđuje veliki broj LED-ova pa se opredelite za napajanje iz ispravljača od 24 V (kao što sam ja uradio), ne zaboravite da napon za napajanje pobudnih kola TC4426 stabilišete na 12 V, jer je njihov maksimalni radni napon samo 18 V, a maksimalno dopušteni pobudni napon za drajvere IRFZ48N je 20 V, pa je pitanje koja bi od ove dve komponente brže pregorela.

Regulacija svetla

Regulaciju svetla (upravljački interfejs) je moguće izvesti na više načina, a ovde su primenjena dva. Prvi je preko serijskog porta računara ili bilo kog upravljačkog sklopa. Radi sigurnosti i veće otpornosti na smetnje, upotrebljen je optokapler 6N136, koji galvanski odvaja kontroler od upravljačkog sklopa. Ipak, u priloženom softveru nije podržano upravljanje preko serijskog porta, nego je ostavljeno za neku sledeću varijantu, u kojoj će više kontrolera dobijati komande sa jednog upravljačkog mesta.

Drugi način, koji je primenjen u ovoj verziji, koristi najklasičnije moguće upravljanje – sa starim, dobrim potenciometrima. Daleko od toga da je ovo bilo najjednostavnije za realizaciju, jer mikrokontroler mora najpre da prevede ugao potenciometra (napon sa njegovog izlaza) u digitalni podatak, pa da očitanu vrednost prevede u logaritamski oblik (koji je mnogo ugodniji za podešavanje) i tek onda da upiše vrednosti u registre za širinsku modulaciju. I to samo kada se četiri potenciometra koriste za odvojenu regulaciju crvene, zelene, plave i žute komponente (RGBY mod), a u HSB modu treba da izvrši još niz računskih operacija.

Ovde se nameće dva zanimljiva pitanja. Prvo, zašto žuti LED-ovi, ako je u RGB modu moguće dobiti svaku boju, pa i žutu? O tome je bilo reči u prošlom broju, a ovde ćemo samo ukratko ponoviti. Istina je da R, G i B diode u zbiru daju belu svetlost, ali one u spektru ostavljaju neke praznine koje loše utiču na reprodukciju boja osvetljenih predmeta (setite se u kom kontekstu smo pominjali CRI, Color Rendering Index). Žuti LED-ovi, kojih u ovom projektu ima isto koliko i od svake druge boje, popunjavanju ovu “rupu” u spektru na najvažnijem mestu, jer je ljudsko oko najosetljivije na žutu boju. Rezultat je mnogo prirodnija reprodukcija boja, tako da predmeti ne deluju neprirodno i sintetički, kao što bi sa neonskom (pa i ovom novom, “štedljivom”) rasvetom bio slučaj.

Efekat je vidljiv golim okom. Kada “do daske” odvrnete R, G i B potenciometre pa polako dodajete žutu od nule do maksimuma, predmeti i ljudi oko vas zaista dobijaju prirodnije i ugodnije boje, kao kada u neslanu hranu dodate malo soli. Još jedna prednost RGBY osvetljenja je što žuta dominanta doprinosi prijatnijoj i toplijoj kućnoj atmosferi.

Drugo pitanje je čemu služi HSB (Hue, Saturation, Brightness) mod? To je samo drugi način biranja boja. Jednim potenciometrom odaberemo boju iz spektra, drugim zasićenje te boje, a trežim jačinu svetla. Na kontroleru ne postoji prekidač za promenu moda, nego je iskorišćeno to što imamo četiri potencimetra, a u HSB modu nam trebaju samo tri. Tako, kada potenciometar za žutu boju postavimo na minimum (da očitavanje napona iz njega bude nula), kontroler automatski prelazi u HSB mod i R, G i B potenciometri sada služe kao H, S i B. Ponovnim podizanjem “žutog” potenciometra iznad nule, sve se vraća u RGBY mod.

Naravno da je HSB regulacija mnogo udobnija, jer bi inače kod svake promene jačine svetla u RGBY modu bilo potrebno ponovo podešavati boju i zasićenost, a to je naporno. Zato u svakodnevnoj upotrebi redovno koristim HSB mod, a RGBY koristim samo za demonstraciju principa rada kontrolera, uglavnom prijateljima koji dolaze da vide kako radi čudo zvano LED rasveta. Među njima će se verovatno prepoznati i oni koji su me, pre ove demonstracije, poslednji put posetili pre 30 godina, kada su došli da vide svetsko čudo zvano kompjuter… za koga smo tada tek stidljivo počeli da uvozimo strani izraz “kompjuter”, jer je (kao što će se stariji čitaoci verovatno setiti) do tada u štampi korišćen stari naziv elektronski mozak. Kako li ćemo jednoga dana zvati LED rasvetu?

Izvorni fajl firmvera za ovaj kontroler dostupan je na www.pcpress.rs

Izvor: PC Press