روشن کردن LEDها با استفاده از تایمر ۵۵۵

در این مطلب میخواهیم روشن کردن یک LED و کنترل نور آن را به صورت اصولی آموزش دهیم. اولین  روشی که به ذهن می‌رسد کترل ولتاژ و روشن کردن LED است. چون در مورد لامپ ها نیز از این روش استفاده می کنیم.  استفاده از این روش برای LED ها این مشکل را دارد که بازه کنترل ولتاژ بسیار کوچک است است.  به مشخصه جریان ولتاژ دیود دقت کنید:

در شکل نشان داده شده با توجه به رنگ LED ولتاژ هدایت یا همان Ivf مشخص شده است. همانطور که می بینید مثلاً در مورد نور قرمز از زمانی که نورش قابل دیدن می شود یعنی جریان حدود ۵ میلی آمپر تا جریان نامی آن حدود ۲۰ میلی آمپر ولتاژ هدایت آن تغییر ناچیزی دارد.  به علاوه LED ساخته شده تا در ولتاژ نامی خود کار کند و بهترین نور را در آن ولتاژ دارد. 

 با توجه به توضیحات داده شده بهترین راه برای کنترل نور LED استفاده از  مدولاسیون پهنای پالس است.  در مدولاسیون پهنای پالس برای کنترل نور LED مدت زمان روشن و خاموش بودن LED کنترل می شود. در این حالت LED همیشه روی ولتاژ نامی خود روشن می شود ولی چون به سرعت روشن و خاموش میشود میزان نور را کنترل می کنیم. به بیان دیگر اگر یک ولتاژ DC را به LED اعمال کنیم LED همیشه روشن است. اگر یک پالس مربعی با duty cycle پنجاه درصد را به  LED اعمال کنیم در نصف زمان LED روشن بوده و در نصف زمان خاموش است. بنابراین نوری که از LED میبینیم ۵۰% نور آن در حالتی است که ولتاژ مستقیم به آن اعمال می شود. حال اگر پهنای پالس را بیشتر کنیم واضح است که مدت زمان روشن بودن LED بیشتر از مدت زمان خاموش بودن آن می‌شود و نور LED بیشتر می‌شود و به همین صورت اگر پهنای پالس کم شود مدت زمان روشن بودن نسبت به خاموش بودن کمتر شده و نور LED کم می‌شود کنترل نور در این حالت بسیار انعطاف پذیر بوده و در بازه قابل توجهی می توانیم نور LED را کم یا زیاد کنیم.

از مدارات مختلف می توان برای اعمال پرس به LED و تولید پارس استفاده کرد.  یکی از ساده ترین راه های تولید  پالس با پهنای قابل کنترل توسط آی سی تایمر ۵۵۵ (LM555) است.با استفاده از این آی سی می توانیم به راحتی و با استفاده از یک پتانسیومتر نور LED را کنترل کنیم.  همچنین اگر تعداد LED ما خیلی زیاد باشد می توان با استفاده از مدارات قدرت و اعمال پالس توسط تایمر ۵۵۵ به آنها نور LED ها را کنترل کرد. 

در مدار زیر با استفاده از تایمر ۵۵۵  پالس pwm تولید شده است. به شکل زیر توجه کنید. 

در شکل بالا با استفاده از پتانسیومتر می توان عرض پالس خروجی را کنترل کرد.  در شکل های زیر در سه حالت مختلف پتانسیومتر شکل موج خروجی رسم شده است.  حالت اول بودن سیم در نقطه وسط حالت دوم پتانسیل در کمترین حالت و حالت سوم پتانسیومتر در بیشترین حالت خود قرار گرفته است که روی شکل مشخص است.   همانطور که می‌بینید در بازه قابل توجهی مقدار ولتاژ اعمالی به LED کنترل می شود. 

همان طور که دیدید می‌توان با کنترل پهنای پالس نور LED را کم و زیاد کرد و آن را کنترل نمود و یا به بیان صحیح تر مدت زمان روشن بودن LED را نسبت به مدت زمان خاموش بودن آن تغییر داد.  یکی دیگر از مشکلاتی که در روشن کردن LED ها به آن برمی خوریم تامین منبع تغذیه آن است. معمولاً یک منبع تغذیه dc برای این منظور استفاده می شود.  جریان لازم برای ال ای دی ها با کمک ادوات الکترونیک قدرت مثل ماسفت ها یا ترانزیستورهای قدرت تامین می شود. در این حالت تحریک ماسفت یا ترانزیستور قدرت از طریق تایمر ۵۵۵ اعمال شده و جریان لازم برای روشن کردن ال ای دی ها از طریق این المان قدرت تامین می گردد. به عنوان مثال می‌توان از دو مدار زیر که یکی برای ما ماسفت و یکی برای ترانزیستور قدرت طراحی شده برای تامین جریان ال ای دی ها استفاده کرد. همانطور که می بینید در این حالت می توان تغذیه تایمر ۵۵۵ و تغذیه ال ای دی ها را جدا در نظر گرفت و مثلاً برای ال ای دی ها که نیاز به تغذیه جریان بالا دارد از منبع تغذیه جداگانه استفاده کرد. مدارات آورده شده مدارات بسیار ساده و ابتدایی بوده ولی با این حال می‌تواند در کاربردهای عملی مورد استفاده قرار گیرد، اما تمهیداتی چون حفاظت جریان اتصال کوتاه یا تغییر ولتاژ ورودی در آن تعبیه نشده است. در شکل زیر با استفاده از  ترانزیستور ۲N3055  پکیج به اصطلاح قابلمه ای دارد یک بار۲٫۴ آمپری ( مقاومت ۵ اهم)  را درایو کرده‌ایم.

در این حالت شکل موج ولتاژ خروجی به صورت زیر است:

و جریان خروجی برای بار ۵ اهم در نظر گرفته شده نیز به صورت زیر می باشد: 

 توانی که روی ترانزیستور قدرت تلف می شود به صورت زیر است.  همانگونه که مشاهده می شود در زمان جریان کشی توان تلف شده بالا رفته و در زمان خاموشی توان  تلفاتی پایین می آید. به اسپایک های توان در ابتدا و انتهای  پالس توجه کنید.

توان تلفاتی متوسط در این حالت روی ترانزیستور برابر است با نموداری که در شکل زیر نشان داده شده است:

همونطور که گفتیم می‌توانیم به جای ترانزیستور از  ماسفت استفاده کنیم در این حالت توان تلف شده روی ماسفت طبعاً به خاطر  ولتاژ پایین تر که در حالت اشباع روی آن می‌افتد کمتر از توان تلف شده روی ترانزیستور BJT خواهند بود. شکل زیر استفاده از  ماسفت در این حالت  را نشان می‌دهد.

همانطور که می‌بینید از یک ترانزیستور برای درایو گیت ماسفت استفاده شده تا بین حالت قطع و اشباع کار کند. در این حالت توان تلفاتی روی ماسفت که به صورت متوسط اندازه گیری شده روی نمودار زیر نشان داده شده است:

در شکل بالا همانطور که مشاهده می شود از یک منبع تغذیه ۱۲ ولت استفاده شده است. استفاده از این منبع تغذیه در کل اشکالی ندارد ولی معمولاً اگر دستگاهی بسازیم که بخواهد در خانه ها مورد استفاده قرار گیرد لازم به استفاده از منبع تغذیه ایست که به وفور در خانه و همه جا وجود دارد یعنی برق شهر. استفاده از برق شهر همانطور که در لامپهای LED که  امروزه به فراوانی استفاده می شود، دیده می شود  نسبت به بقیه منابع ارجحیت دارد.  اما همانطور که در مطلب منبع تغذیه بدون ترانسفورماتور گفتیم اگر تغذیه ای بخواهیم که ترانسفورماتور نداشته باشد جریان آن پایین است.  البته همانطور که در مطلب روشن کردن ال ای دی به کمک برق شهر دیدیم صرفاً برای روشن کردن LED ها به تعداد زیاد میتوان از برق شهر استفاده کرد ولی زمانی که صحبت از کنترل نور آن شود مسئله  فرق می کند. برای استفاده از برق شهر برای کنترل  نور LED بایستی از مدارات الکترونیک قدرت برای کنترل توان استفاده کنیم. در مطالب بعدی حتماً با استفاده از یک تریستور سعی می شود تا بتوانیم تعداد قابل توجهی LED را روشن کنیم. اگر با تریستور آشنایی ندارید پیشنهاد می شود این مطلب را مطالعه کنید.