Светодиод — такой знакомый и неизвестный. Часть 4. Основные проблемы и их решения

Светодиод — такой знакомый и неизвестный.
Часть 4. Основные проблемы и их решения

№ 4(48)’2017
PDF версия
В предыдущей, третьей части данной серии статей [1] были рассмотрены основные вопросы, касающиеся регулирования яркости свечения светодиодов, даны примеры решений, а также приведены результаты, которые мы имеем при применении светодиодов в самых различных областях нашей жизни — от повседневного домашнего освещения до использования возможностей светодиодов как неотъ­емлемого элемента современной архитектуры и даже в создании новых направлений искусства. Нам осталось рассмотреть вопросы, связанные с тем, как именно формируются настолько сложные цветовые спектры, что надо сделать для их поддержания и что мы еще должны учитывать при проектировании и использовании светодиодов, как элементов освещения. За основу данной публикации взяты отдельные главы из публикации [2] в переводе, с комментариями и дополнениями автора статьи.

Все статьи цикла

Если вернуться к третьей части статьи [1], то мы увидим, что все богатство цветовой палитры достигается, как и в технике живописи, смешением трех основных цветов. Но если в живописи это крон (желтый), кармин (красный) и кобальт (синий) плюс белила, то в светодиодной технике вместо желтого обычно используются оттенки зеленого. Это повелось еще со времен телевидения, когда желтые люминофоры были по яркости слабее зеленых, да и первые желтые светодиоды не отличались особой чистотой цвета и воспринимались на фоне зеленых как тусклые, типа того, что называют «грязный блонд».

В настоящее время на основе светодиодов мы имеем две основные системы цветопередачи — RGB и более продвинутую RGBW, которые, как это понятно из вышесказанного, выполнены на базе не одного, а нескольких светодиодов: RGB — на базе красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue) светодиодов, а RGBW — это тот же RGB, но с добавлением канала белого (White). Дополнительный канал белого нужен для корректировки конечного спектра, поскольку система RGB является ограниченной (рис. 1). Это связано с тем, что она аддитивная, в ней цвет получается путем добавления к черному.

RGB-синтез цвета и общая цветовая гамма

Рис. 1. RGB-синтез цвета и общая цветовая гамма

Добавление белого цвета той или иной цветовой температуры является одним из способов упрощения алгоритмического смешивания определенных цветов. Так, в некоторых схемах смешивания белый используется для изменения насыщенности, в то время как установки яркости красного, зеленого и синего компонента меняют непосредственно цветовой тон. Система смешения цветов на базе RGBW-светодиодов обеспечивает достаточно широкую цветовую гамму. А добавление дополнительных цветов, таких как янтарный, может расширить доступную цветовую гамму еще шире. RGBWA-светодиоды (RGBW с янтарным светодиодным компонентом Amber) могут воспроизводить глубокие желтые и оранжевые цвета, которые светодиоды системы RGBW воспроизвести не в состоянии. Имеются и нестандартные световые системы, например: cw/ww/blue/amber (cw, cool white — холодный белый, ww, warm white — теплый белый, blue — синий, amber — янтарный) и ww/blue/mint/red (ww, warm white — теплый белый, blue — синий, mint — темно-зеленый (мятный), red — красный).

С точки зрения схемотехники, необходимая цветовая гамма достигается индивидуальной установкой уровня яркости каждого отдельного цветового канала, а потом уже путем смешивания этих цветов достигается нужный для восприятия цветовой оттенок, а вернее — цветовая коррелированная температура. Смешиванием занимается или оптика, часто достаточно сложная (этот вопрос в рамках настоящей статьи не рассматривается, см., например, [11]), или, если источники монохроматического света можно рассматривать как точечные, то непосредственно наш мозг. Это общепринятая практика, вклад отдельных базовых цветовых каналов в процентном соотношении дает нам тот же результат, который мы имеем, например, при заливке фона в программе Photoshop в режиме RGB или CMYK или путем смешивания базовых красок на палитре. Достоинство же здесь в следующем. Дело в том, что на экране монитора мы видим не совсем те цвета, которые потом получим в реальных условиях. Это связано с тем, что мы смотрим не на отраженный свет от объекта, а на прямое световое излучение, поступающее от источника света через матрицу экрана или от возбуждения его люминофора, причем в обоих случаях мы имеем дело с системой RGB. А вот при использовании светодиодов с цифровой системой управления и соответствующим программным обеспечением мы можем моделировать реальное освещение интересующего нас объекта, причем даже с учетом фактуры его поверхности.

В предыдущей, третьей части данной статьи [1] были рассмотрены подходы и примеры технических решений по регулировке яркости. Они, в той или иной комбинации, используются и для синтеза нужного цвета, но уже в многоканальных системах. Применение простейшего смесителя по системе RGB приведено, например, в техническом описании драйвера, предоставляемом компанией RECOM [4]. Однако схема может быть легко расширена для включения светодиодов по системе RGBW [2]. Это решение не блещет особой оригинальностью, но дает нам нужное общее представление по рассматриваемой проблеме.

Более продвинутое решение с цифровым и внешним программным управлением от персонального компьютера приведено в [3] (для удобства читателей ссылка дана на русскоязычную версию журнала в переводе автора статьи). Здесь как раз можно моделировать реальную конечную световую обстановку для нужного объекта. Для этого используется восьмиканальный матричный диммер LT3965 производства компании Linear Technology с включением по системе 2хRGBW. Код, передаваемый по интерфейсу I2C к LT3965, определяет состояние яркости всех восьми светодиодов и, в случае возникновения неисправности, может проверить наличие оборванных и короткозамкнутых светодиодов.

В чем еще заключаются преимущества светодиодов и с какими еще проблемами нам предстоит столкнуться на пути формирования нужного спектра системы освещения? Для систем на базе ламп накаливания мы имеем дело с источниками с относительно широким спектром, а вопросы синтеза решаются фильтрами, выделяющими нужный нам цвет. А если потом нам нужны динамически меняющиеся спектры, то они достигаются последующим управляемым смещением базовых цветов. То есть так же, как это было описано выше. Но здесь, кроме низкой надежности таких источников света, проблем с их температурой, мы еще имеем проблемы, связанные с их инерционностью и с деградацией таких ламп. И что самое неприятное — с изменением цветовой коррелированной температуры ламп накаливания при регулировке их яркости. При повышении яркости нить разогревается, а спектр лампы смещается в сторону синего; при снижении яркости нить остывает, а спектр лампы смещается в сторону красного. Для светодиодных источников цвета картина иная, их спектр при регулировке яркости остается практически постоянным. Правда, здесь надо учитывать, что восприятие комплексных спектров при уменьшении общей яркости меняется, и причина здесь не в источниках света, в особенностях функционирования нашего зрительного аппарата.

Что же касается светодиодов, то тут нам необходимо учитывать две важные и причем взаимосвязанные проблемы. Первая — это та же временная деградация яркости. Вторая — смещение цветовой температуры излучения светодиода от температуры его кристалла. Причем здесь важна именно температура кристалла, а не только температура окружающей среды. Температура также влияет на скорость деградации и, следовательно, на надежность светодиода. Поэтому для прецизионных источников света вводится коррекция по конечному спектру, усложняющая схемотехнические решения продукта. Тут уж ничего не поделаешь, краски на картинах тоже выцветают, времени все подвластно, ну разве что кроме египетских пирамид.

Есть еще и третья проблема, связанная уже с конкретным схемотехническим решением, а именно, как уже было сказано выше, яркость свечения светодиодов в суммарном спектре для таких систем устанавливается индивидуально, чем и достигается нужная цветовая гамма. Однако здесь имеется ограничение. Если речь идет о цифровом ШИМ-управлении, как уже подробно рассматривалось в [1], оно связанно с дискретностью регулировки яркости. На практике обычно используется регулирование с 256 ступенями — от 0 (светодиод выключен, нулевая яркость) до 256 (светодиод полностью включен, 100% яркость). В выигрыше здесь оказываются аналоговые системы с ШИМ-управлением (рис. 2), но они неудобны для применения, так как требуют ручного управления. Как только мы делаем попытку перейти при их использовании на цифровое управление через цифро-аналоговое преобразование, сразу же возникает проблема дискретности регулирования. Так что те или иные технические пределы синтеза цвета, так или иначе, всегда присутствуют.

RGBW-смеситель

Рис. 2. RGBW-смеситель

Если глубина регулирования яркости отдельных цветовых каналов и дискретность регулирования — это проблема схемотехники, то деградация светодиодов — это проблема физики и технологии, и предсказать долговременное поведение светодиодов мы не можем. Но потеря яркости, связанная с деградацией, может недопустимо уменьшить уровень освещения для критических приложений и недопустимо исказить спектр в комплексных светодиодных системах. На наше счастье, яркость свечения светодиодов в суммарном спектре для таких систем устанавливается индивидуально, и проблема деградации до определенного предела относительно просто решается на уровне схемотехники.

Поэтому давайте более подробно остановимся на том, как нам на практике решить проблему управления яркостью и спектром для светодиодных систем. Как было сказано ранее, температура и старение вызывают сдвиг характеристик светодиодов. Наблюдение за поведением светодиодных систем первого поколения показало, что, в зависимости от наработки, не только их яркость, но и характеристики цветопередачи имеют тенденцию к изменению. Рис. 3 демонстрирует изменения назначенного спектра обычной RGB светодиодной системы, вызванные сдвигом спектральных характеристик отдельных светодиодов. В этом примере показано изменение физических свойств светодиодов в части изменения положения (смещения) одной цветовой точки в зависимости от температуры и тока. В ходе тестирования температура, приведенная в качестве примера светодиодной системы, постепенно увеличивалась с +20 до +80 °C [7].

Пример смещения цветов на основе системы RGB

Рис. 3. Пример смещения цветов на основе системы RGB

Кроме того, как тоже было сказано выше, все светодиоды с течением времени подвержены деградации и несколько теряют световую эффективность (рис. 4). Но если для всех других источников это неизбежное зло, то для светодиодных систем освещения корректировка спектра и яркости дело поправимое.

Потеря световой эффективности с течением времени наработки

Рис. 4. Потеря световой эффективности с течением времени наработки

Если речь идет о простой компенсации деградации светодиодов, то для того, чтобы сохранить световой поток светодиода на заданном уровне, в контуре управления используется светочувствительный датчик — обычно фотодиод (рис. 5).

Оптическая обратная связь с использованием датчика освещенности

Рис. 5. Оптическая обратная связь с использованием датчика освещенности

По мере того как светодиод деградирует и теряет эффективность своего светового потока с течением времени наработки, цепь обратной связи для компенсации потери яркости будет автоматически увеличивать его ток. Однако здесь не все так просто, если речь идет не только о сохранении общего уровня яркости, а и о сохранении коррелированной цветовой температуры. Тогда для этого требуется сложная многоканальная система регулирования (рис. 6) [7].

 

Блок-схема системы освещения с управлением в виде оптической обратной связи

Рис. 6. Блок-схема системы освещения с управлением в виде оптической обратной связи

 

Достоинство такой системы заключается в том, что она может реагировать как на излучаемый световой поток, так и непосредственно на отражение света от объекта, что разработчиков систем освещения часто интересует в первую очередь. Точность работы представленной светодиодной системы во многом зависит от цветового сенсора, который осуществляет детектирование света. Система не может быть более точной или реагировать на отклонения быстрее, чем это делает ее основной компонент. Поэтому здесь важно выбрать из доступных цветовых сенсоров такой, который соответствует именно конкретному применению. Для этого нам доступны две разновидности таких цветовых сенсоров: RGB и True Color (сенсор истинного цвета). Они представляют собой сложные КМОП-устройства со специальными светофильтрами, которые имеют отдельные каналы управления для красного, зеленого, синего и белого (рис. 7) [6].

Спектральная чувствительность различных каналов датчика, использующего технологию FILTRON

Рис. 7.
а) Спектральная чувствительность различных каналов датчика, использующего технологию FILTRON;
б) пример конструктивного исполнения датчика VEML6040 RGB с четырьмя каналами для красного, зеленого, синего и белого

 

Сенсоры типа RGB имеют три отдельные характеристические кривые — по одной для красного, зеленого и синего цветов соответственно. Измеренные значения в формате RGB могут быть переданы через значения трехцветных координат [10], а измеренные цветовым сенсором типа True Color значения уже непосредственно соответствуют требованиям стандарта CIE 1931 и соответствующим значениям распределения трехцветных уровней. Особенностью сенсоров типа True Color является то, что их характеристические кривые соответствуют восприятию света человеческим глазом. Значения координат позволяют совершить преобразование для цветовой точки во всем пространстве цветового спектра и, например, для значений белого света получить высокий CRI — индекс цветопередачи (Colour Rendering Index), определяющий истинное восприятие цвета освещаемого объекта.

Теперь что касается влияния температуры и управления светодиодами для минимизации ее негативного влияния. Как было сказано в первой части статьи [5], светодиоды видимого спектра свободны от излучения в инфракрасном диапазоне длин волн. Но, тем не менее, они нагреваются. Даже светодиоды невысокой мощности нуждаются в хорошем отводе тепла, если, конечно, вы хотите иметь их срок службы, близкий к значениям, приведенным в их спецификациях. Первый вопрос, который может здесь возникнуть: почему же такие высокоэффективные источники света, как светодиоды, становятся горячими? Кажется, что это противоречит здравому смыслу, но светодиод с эффективностью светового потока около 50 лм/Вт
требует более тщательного отношения к отводу тепла, чем, скажем, обычный прожектор с лампой накаливания с аналогичной эффективностью.

Следующий пример может помочь нам разобраться в сути проблемы. Итак, галогенные прожекторы мощностью в 100 Вт дадут нам всего лишь 5 Вт полезного света. Из оставшихся 95 Вт потребляемой электроэнергии приблизительно 80 Вт будет излучаться в инфракрасной области, а к корпусу прожектора в виде тепла будет направлено только 15 Вт мощности. Светодиод мощностью 50 Вт также будет давать нам 5 Вт полезного света. Но все остальные 45 Вт мощности будут передаваться в виде тепла к его корпусу. Поэтому, хотя эффективность светодиода вдвое выше, чем у лампы накаливания (ЛН), его корпус должен быть разработан таким образом, чтобы отвести почти в три раза больше генерируемого им тепла.

Еще одно важное различие между ЛН и свето­диодными источниками света заключается в том, что ЛН по природе своей для того, чтобы функционировать, требует высоких температур, тогда как срок службы светодиода резко падает, если температура его полупроводникового перехода поднимается выше +100 °C (табл. 1). Кроме того, светодиоды высокой мощности при повышении температуры полупроводникового перехода теряют и эффективность светового потока. Значения в части светового потока, которые даются в спецификациях, как правило, соответствуют его значениям лишь при температуре +25 °C. При температуре перехода в +65 °C световой поток, как правило, падает на 10%, а при +100 °С теряется уже 20% (рис. 8).

Зависимость светового потока светодиода от температуры полупроводникового перехода

Рис. 8. Зависимость светового потока светодиода от температуры полупроводникового перехода

Таблица 1. Связь срока службы светодиода с температурой его полупроводникового перехода

Температура полупроводникового перехода, °C

<100

100–115

115–125

>125

Срок службы светодиода по критерию B50 (вероятность безотказной работы 50%), число отказов

1

3

7

10

Таким образом, хорошо сконструированная светодиодная лампа будет должным образом работать при максимальной температуре основания светодиода не выше +65 °C. Один из способов обеспечить, чтобы температура светодиода не поднималась слишком высоко, — уменьшать ток светодиода с ростом температуры.

Светодиод может работать должным образом на полную мощность только в том случае, если имеет место адекватный теплоотвод, а температура окружающей среды остается в разумных пределах. Если температура основания светодиода поднимается слишком высоко, то для уменьшения внутреннего рассеяния мощности должны уже быть приняты определенные меры.

На рис. 9 показана идеализированная зависимость между температурой светодиода и его допустимым рабочим током.

Типичная температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода

Рис. 9. Типичная температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода

До указанной изготовителем максимальной рабочей температуры ток через светодиод остается неизменным. Но по мере того как температура светодиода повышается и превышает некий установленный допустимый предел, ток и, следовательно, мощность должны снижаться. Иными словами, для защиты светодиода от перегрева его яркость должна быть уменьшена. Эта кривая называется графиком снижения номинальных значений (в англ. терминологии «Derating Curve»), она гарантирует сохранность работоспособности светодиода в безопасных пределах рассеиваемой мощности в конкретных температурных условиях. Температурный порог в +55 °С в приведенном выше графике — это температура основания светодиода или его теплоотвода. Из-за наличия теплового сопротивления температура самого светодиода будет, как правило, на 15 °С выше (т. е. равна +70 °С), а превышение внутренней температуры перехода будет близко к 35 °С (т. е. она составит уже +90 °С). Таким образом, температура +55 °С — это как раз и есть безопасный предел полной мощности, хотя она может быть увеличена до максимума в +65 °C для достижения высокой производительности в части светоотдачи некоторых светодиодных ламп.

Если светодиодный драйвер имеет вход управления яростью, то проблему снижения тока при росте температуры можно легко решить, добавив внешний датчик температуры и несложную дополнительную схему. Это поможет обеспечить нужную характеристику управления для снижения номинальных величин тока, как это показано на рис. 9.

В серии рассматриваемых нами в качестве примера светодиодных драйверов RCD-24 от компании RECOM [4] имеются два разных входа регулировки яркости, поэтому они являются оптимальными кандидатами для того, чтобы показать и объяснить различные способы управления, в которых к схеме светодиодного драйвера может быть добавлена защита от перегрева светодиода.

Самым простым решением является использование термистора, представляющего собой резистор, сопротивление которого изменяется в зависимости от температуры. Если его сопротивление значительно возрастает с повышением температуры, то такой элемент имеет положительный температурный коэффициент (Positive Temperature Coefficient, PTC) и называется РТС-термистор. При этом можно создать РТС-термисторы, имеющие характеристику с заданной нелинейностью (рис. 10).

Типичная зависимость сопротивления PTC-термистора от температуры

Рис. 10. Типичная зависимость сопротивления PTC-термистора от температуры

До тех пор пока температура остается ниже заданного порогового значения (в данном случае +70 °C), термистор имеет относительно низкое постоянное сопротивление, составляющее порядка сотни Ом. Выше этого порога его сопротивление начинает быстро увеличиваться. Так, при температуре в +80 °C его сопротивление составляет уже 1 кОм, при +90 °С — 10 кОм, а при +100 °С — 100 кОм.

На практике для удобства использования многие терморезисторы доступны в конструкции с предварительно установленным монтажным выступом. Так что для управления и мониторинга температуры они могут быть очень просто прикреплены на аккумулирующий все тепло корпус светодиодной лампы. С использованием аналогового входа управления яркостью, который имеется в светодиодных драйверах серии RCD-24, мы можем реализовать на базе термистора очень простую, с низкой себестоимостью и высокой надежностью, схему защиты от перегрева, которая представлена на рис. 11. Кривая регулирования для этой схемы приведена на рис. 12.

Цепь защиты от превышения температуры с использованием PTC-термистора

Рис. 11. Цепь защиты от превышения температуры с использованием PTC-термистора

Результирующая температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода (красная кривая)

Рис. 12. Результирующая температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода (красная кривая)

Вход аналогового димминга управляется внешним напряжением, и поэтому если входное напряжение питания стабильно, то PTC-термистор плюс делитель напряжения на двух резисторах — это единственные дополнительные компоненты, которые необходимы для реализации функции автоматического снижения номинального тока в зависимости от температуры.

Если требуются иные точки снижения номинальных значений в зависимости от температуры, то термисторы доступны с различными пороговыми температурами — от +60 до +130 °C с шагом в 10 °С. Так что здесь стоит лишь вопрос выбора подходящего элемента, который будет соответствовать спецификации светодиода. Если входное напряжение не является стабилизированным, то в таком случае, чтобы обеспечить стабильное опорное напряжение, потребуется добавка или стабилитрона, или маломощного линейного стабилизатора напряжения.

Более эффективной является защита от перегрева с использованием микросхем аналогового датчика температуры, которые обеспечивают линейно изменяющееся с температурой выходное напряжение. Они стόят ненамного больше, чем терморезисторы, также широко доступны для разработчиков, но имеют одно важное преимущество: они обладают высокой линейностью, малым смещением и очень точны, поэтому при их использовании возможен мониторинг температуры с разрешением менее 1 °C. Тем не менее для того, чтобы непосредственно сформировать подходящее напряжение для формирования управляющего сигнала, их выходной сигнал мал, следовательно, он должен быть усилен до достаточного уровня. Поэтому наиболее часто они используются с усилительным каскадом, выполненным на операционном усилителе.

Схема, предложенная на рис. 13, использует микросхему датчика температуры и сдвоенный операционный усилитель. Выходной сигнал схемы защиты от перегрева подается в виде напряжения на вход аналогового димминга драйверов серии RCD. Как уже отмечалось, этот вход управления линейно снижает яркость светодиодов в зависимости от величины приложенного ко входу напряжения.

Аналоговая схема защиты от перегрева

Рис. 13. Аналоговая схема защиты от перегрева

В приведенной схеме датчик температуры обеспечивает линейное выходное напряжение в зависимости от температуры окружающей его среды. Выход датчика предварительно откалиброван таким образом, чтобы обеспечить зависимость 10 мВ/°C+600 мВ (600 мВ — это смещение). Так что при +55 °C выходное напряжение датчика составит 1,15 В. Микросхема, которая используется для организации усиления, содержит в себе два маломощных операционных усилителя и прецизионный источник опорного напряжения на 200 мВ. Смещение в схеме предварительно настроено на 1,15 В, а коэффициент усиления выбран таким образом, что при температуре +100 °C светодиод работает на 50% от своего номинального тока (рис. 14).

Результирующая температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода (красная линия)

Рис. 14. Результирующая температурная кривая снижения максимального рабочего тока светодиода (красная линия)

Преимуществом этой схемы является то, что, поскольку точка перегиба кривой компенсации ухудшения параметров светодиодов регулируется, для компенсации характеристик разных светодиодов от разных производителей используется всего один раз разработанное общее решение.

Второй вход регулировки яркости, предусмотренный в драйверах серии RCD, управляется посредством ШИМ. Широтно-импульсная модуляция используется как цифровой сигнал управления для изменения яркости светодиода путем его включения и выключения, осуществляемого слишком быстро для наших глаз, чтобы мы могли это заметить. Если светодиод выключен более длительный промежуток времени, чем включен, то он будет казаться светящимся слабо, тусклым. А если светодиод большую часть времени включен, то он будет восприниматься нами, как светящийся сильно, яркий. Вход ШИМ реагирует на входные сигналы логического уровня, поэтому он оптимально подходит для взаимодействия с цифровыми контроллерами.

Есть микросхемы, которые могут непосредственно преобразовывать температуру в ШИМ-сигнал, например некоторые контроллеры вентиляторов: MAX6673, TMP05 и т. д. Но для того, чтобы задать необходимый порог по температуре и согласовать ШИМ-сигнал с кривой снижения максимального рабочего тока светодиода, им необходима некоторая встроенная интеллектуальность. Именно поэтому зачастую для реализации необходимого оптимального управления здесь бывает проще использовать микроконтроллер.

В схеме, предложенной далее (рис. 15), для мониторинга и контроля до восьми драйверов светодиодов используется микроконтроллер. Поскольку задействованы только шесть портов ввода/вывода, схема с помощью свободных портов может быть легко расширена для управления большим числом светодиодных драйверов или в ней могут быть организованы каналы для передачи сигналов предупреждения на удаленные устройства о недопустимом превышении температуры.

ШИМ-контроллер на базе микропроцессора для управления до восьми драйверов светодиодов

Рис. 15. ШИМ-контроллер на базе микропроцессора для управления до восьми драйверов светодиодов

В данном примере измерение температуры осуществляется с помощью микросхем MAX6575L/H, которые представляют собой маломощные датчики температуры. К трехпроходному интерфейсу могут быть одновременно подключены до восьми таких датчиков. Температуры измеряются за время, возникающее между инициированным микропроцессором запускающим импульсом и задним фронтом последующих за этим задержанных импульсов, поступающих с одного из устройств. Чтобы избежать перекрытия, различные датчики одной линии ввода/вывода могут использовать различное время простоя путем использования разных коэффициентов умножения. Подобная конструкция может быть также легко реализована с другими датчиками температуры от разных изготовителей, например TPM05, которые включаются последовательно в виде гирлянды.

Микросхема 74HC259 с малым собственным потреблением, представляющая защелку с адресацией, может быть сброшена с импульсом сброса (Reset), что приведет к включению всех светодиодных драйверов. Затем микропроцессор может индивидуально настроить каждый выход после соответствующей временной задержки для генерации восьми независимых ШИМ-сигналов для независимого управления каждым из восьми драйверов.

В качестве альтернативы изложенному решению: если микроконтроллер имеет интерфейс I2C, то имеется целый ряд доступных и весьма полезных программируемых драйверов с внешним управлением по шине I2C, например PCA9635 [8].


Этой публикацией мы завершили серию обзорных статей, посвященных светодиодам. На страницах журнала «Полупроводниковая светотехника» был рассмотрен целый ряд вопросов, начиная с истории создания светодиодов: их основные характеристики, особенности включения [5]; проблемы, связанные с их подключением и эффективным управлением [9]; регулирование яркости светодиодов и их драйверы, а также примеры применения светодиодного освещения в архитектуре, ландшафтном дизайне и современном искусстве [1]. В последней части публикации были рассмотрены вопросы, связанные с формированием и управлением сложными цветовыми спектрами, проблемы, связанные с деградацией параметров светодиодов и компенсацией ее негативного влияния, а также вопросы управления температурой. И хотя целый ряд использованных примеров имел чисто иллюстративную направленность, надеемся, что эти обзорные статьи все же оказались полезными самому широкому кругу читателей. Больше узконаправленной и специфической информации можно найти в прошлых и текущих выпусках этого журнала, а также на страницах издания «Современная светотехника» и специализированных англоязычных международных журналов LEDs Magazine, LED professional и др.

В качестве Post Scriptum заметим, что в третьей части данной статьи [1], когда рассматривалось использование светодиодов в искусстве, автором была сознательно опущена тема светомузыки — именно светомузыки, как более высокой ступени по отношению к популярным цветомузыкальным поделкам. Дело в том, что автор статьи в свои молодые годы, а именно в 70-х годах прошлого века, потратил много времени на исследования в данном направлении, используя доступные ресурсы вуза и профильной кафедры, включая и вычислительную технику того времени. Было проведено множество экспериментов, включая пусть и примитивное, но все же компьютерное моделирование, и разработано около десятка моделей. Можно сказать словами Сальери из «Маленьких трагедий»
А. С. Пушкина: «Проверил я алгеброй гармонию». Отказавшись от простого частотного разделения звуковых и назначения им световых (цветовых) каналов, автор использовал распределение на основе анализа по плотности вероятности использования частот в музыкальных произведениях с возможностью свободного и случайного назначения цветовых каналов. Кроме того, осуществлялся анализ скорости нарастания огибающей для выделения ритма, статическое и динамическое заполнение фона, двухступенчатое управление яркостью каналов для расширения динамического диапазона, а также целый ряд иных ухищрений (были поданы три заявки на авторские свидетельства). Но вывод был однозначный и неутешительный — это тупик, и дальнейшие работы в этом направлении были прекращены. Тем не менее две последние модели светомузыкальных установок Helenos, даже несмотря на небольшие экраны, зрители оценивали как очень и очень удачные. Но все схемотехнические ухищрения автора разбивались о неоднозначность восприятия светомузыкальной композиции зрителями и о финишную ступень его экспериментальных устройств — экран и светоизлучатели. Лампы накаливания из-за высокой инерционности, узкого динамического диапазона, относительной сложности смешения цветовых каналов и модуляции спектра, о чем уже было сказано выше, не могли воспроизвести все то, что могла дать схемотехника и ее реализация, даже в рамках того времени.

Однако, оставаясь при своем мнении о тупиковости этого направления, автор надеется, что, возможно, алгоритм преобразования музыки в цвето-световую форму все же будет найден, а возможности светодиодов с их широким динамическим диапазоном изменения яркости, неограниченными возможностями в части цветовой гаммы смогут помочь в ее конечной реализации. И тогда мы сможем увидеть то, что видел великий русский композитор Александр Скрябин в своей симфонической поэме «Прометей (Поэма огня)» (1910 г.), в которую он ввел партию инструмента света Luce (итал. tastiera per luce). И хотя А. Скрябин дал примерное соответствие цветов и нот, но, несмотря на множество попыток, реализовать в полном объеме световую партию Luce к его знаменитой на весь мир симфонической поэме пока никому так и не удалось. А пока будем наслаждаться музыкой, сопровождаемой цветовыми композициями, которые, несомненно, имеют право на жизнь, и светодиоды могут внести здесь свою лепту.

Литература
  1. Рентюк В. Светодиод — такой знакомый и неизвестный. Часть 3. Почему светодиоды? Управление яркостью // Полупроводниковая светотехника. 2017. № 3.
  2. Steve Roberts. DC/DC BOOK OF KNOWLEDGE: Practical tips for the User. Second Edition, 2015.
  3. Кейт Золуша. Матричный светодиодный регулятор яркости свечения обеспечивает точное управление цветом и формирование изображения с RGBW-светодиодами. icgamma.ru/news1/ltjournal_russian_version_issue_3
  4. Constant Current LED Driver. REV: 1/2016. Recom.
  5. Рентюк В. Светодиод — такой знакомый и неизвестный. Часть 1: история, особенности применения // Полупроводниковая светотехника. 2017. № 1.
  6. Сами Ахмед, Генрих Готтлоб. FILTRON: Оптические фильтры для КМОП интегральных фотодетекторов// Компоненты и технологии. 2016. № 12.
  7. Нимз Т., Хайлер Ф., Янсен К. Сенсоры и обратная связь в многоцветных светодиодных системах // Полупроводниковая светотехника. 2015. № 2.
  8. PCA9635 16-bit Fm+ I2C-bus LED driver. NXP Semiconductors. Rev. 07 -16 July 2009. nxp.com/documents/data_sheet/PCA9635.pdf/ссылка утрачена/
  9. Рентюк В. Светодиод — такой знакомый и неизвестный. Часть 2. Эффективное управление, драйверы // Полупровод­никовая светотехника. 2017. № 2.
  10. https://ru.wikipedia.org/wiki/Цветовая_модель
  11. Марк Хюбнер. Отражатели и линзы для использования в системах с твердотельными источниками света (SSL) // Полупроводниковая светотехника. 2015. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *