Как настроить аналоговый фильтр (фильтры) для максимального сглаживания ШИМ-сигнала частотой 100 Гц от светодиодного контроллера

У меня есть контроллер светодиодов RGB, который регулирует яркость с помощью ШИМ с частотой 100 Гц, по-видимому, вообще без встроенного сглаживания. (записал на звуковую карту, и эти импульсы на 100 процентов прямоугольные. :)

Я хочу, чтобы результирующее напряжение, поступающее на светодиоды, было как можно более плоским, с использованием специально созданного фильтра/простой схемы, которая не должна быть слишком дорогой (в противном случае имеет смысл купить более качественный контроллер).

Светодиоды будут использоваться для освещения, поэтому фильтр должен быть готов к довольно высокой мощности (максимум ~ 100 Вт).

Как мне настроить такой фильтр? Должен ли я использовать фильтр RC или LC? Один или несколько фильтров? Как определить электронные свойства элементов (емкость, индуктивность и т. д.)?

UPD: под «как можно более плоской» я подразумеваю настолько простую, дешёвую систему фильтрации на основе обычных компонентов, насколько это возможно. Плоская линия 99,99% НЕ является требованием! Просто фильтр, который сгладит это как можно лучше.

Учитывая ваши требования к мощности и частоту импульса, почему вы хотите сильно его фильтровать? Возможно, небольшое сглаживание может помочь, но сильное сглаживание приведет к потере большого количества энергии, которая должна быть рассеяна в ваших компонентах, которым потребуются более высокие номинальные мощности. Вы действительно уверены?
Ага :) Я хочу максимально уменьшить мерцание, даже если система будет съедать часть энергии. (Конечно, в разумных пределах, если потребуется в 10 раз больше, это не сработает даже с имеющимися у меня источниками питания.) Что касается практических соображений, мерцание 100 по-прежнему довольно легко заметить, особенно при перемещении зрение, плюс то, что я хочу иметь возможность записывать видео в этой комнате, и при любом приличном fps мерцание 100 Гц просто уничтожит видео.
Нельзя ли поднять частоту ШИМ? Чтобы избежать мерцания, вам нужен довольно тяжелый фильтр, тогда...
Да, это было бы здорово, и, подняв его достаточно, возможно, даже отпала бы всякая необходимость в фильтрации, но я не могу сделать это с этим конкретным контроллером.
@Cray: Так что возьмите контроллер, который может. Кажется, вы позволяете хвосту вилять собакой.

Ответы (3)

Лучше было бы задать вопрос: «Как уменьшить мерцание при управлении яркостью светодиодов?» Вот на этот вопрос я и отвечу... :)

Есть два способа управления яркостью светодиодов: ШИМ или регулятор мощности постоянного (но переменного) тока.

У вас есть ШИМ-контроллер. Проблема в том, что вы хотите каким-то образом преобразовать ШИМ-контроллер в контроллер постоянного тока. Хотя это возможно, это быстро превращается в проблему типа «квадратный штырь-круглое отверстие». Это можно сделать с помощью LC-фильтра (не используйте RC-фильтр на этих уровнях мощности), но если вы сделаете это неправильно, вы можете взорвать свой светодиодный контроллер или свести на нет любой эффект управления диммером.

Очевидной вещью, как предлагали другие, является увеличение частоты ШИМ со 100 Гц до чего-то более высокого. 500 Гц будет хорошей целью. Чем выше частота, тем менее эффективными становятся вещи. Кроме того, переключение 100 Вт на более высокие скорости может вызвать проблемы.

Если ваш светодиодный контроллер не может работать быстрее, как вы указали, то вы действительно застряли. Тогда ваш единственный вариант — выбросить светодиодный контроллер и получить/купить/собрать новый. Если вы сделаете это, то у вас есть выбор: получить один с более высокой скоростью ШИМ или светодиодный контроллер постоянного тока.

Регулятор постоянного тока похож на регулятор напряжения, за исключением того, что он регулирует ток, а не напряжение. Для 100 Вт вам понадобится импульсный стабилизатор, чтобы поддерживать высокую эффективность. Хотя регуляторы тока не так распространены, как обычные регуляторы напряжения, они достаточно распространены, поэтому быстрый просмотр веб-сайтов различных производителей микросхем должен дать вам необходимую информацию. Мне нравится Linear Tech для такого рода вещей, потому что их вещи легко смоделировать, прежде чем вы их создадите. Их симулятор, LTSpice, можно загрузить бесплатно.

Обновление, почему использование LC-фильтра нецелесообразно...

Хорошо, давайте начнем с того, что вы просто наложили колпачок на сигнал ШИМ. Что произойдет, так это то, что крышка будет полностью заряжаться, когда ШИМ включен, и разряжаться на светодиоды, когда ШИМ выключен. Если вы не контролируете скорость зарядки конденсатора, то все, что вы делаете, это увеличиваете рабочий цикл ШИМ. Чем больше крышка, тем больше вы продлите рабочий цикл.

Но вот убийца: существует порог размера кепки. Если кепка меньше этого порога, вы ничего не делаете для устранения мерцания 100 Гц. Если больше, то вы удалили мерцание, но вы также устранили любую возможность затемнения контроллера, поскольку вы увеличили рабочий цикл до 100%!

И еще один убийца: колпачки будут заряжаться почти до 100%, когда ШИМ включен. Это создаст огромную нагрузку на ваш светодиодный контроллер. Ваш контроллер должен быть рассчитан на мощность, в 5 или 10 раз превышающую мощность, которую фактически потребляют сами светодиоды.

Установка индуктора, создающего LC-фильтр, решит обе эти проблемы (позволит затемнить и ограничить ток, идущий на зарядку конденсаторов). Вам по-прежнему понадобится контроллер, рассчитанный на большее, чем вам нужно, но он не будет в 10 раз больше.

Проблема с индуктором в том, что вам нужен ОГРОМНЫЙ. Я сделал некоторые расчеты, и вам понадобится что-то вроде катушки индуктивности на 5000 мкГн и конденсатора на 10 000 мкФ. Предполагается, что ШИМ на 100 вольт при максимальном токе 1 ампер, ваши настройки могут немного отличаться. Но эти значения дают вам, по крайней мере, правильный пример.

Вы пытались купить индуктор на 5000 мкГн, который может выдержать 1 ампер? Это сложно! Вероятно, вам придется построить его самостоятельно. Просматривая каталог Digikey, я увидел несколько на 2000 мкГн, которые могли бы работать, но ни одного на 5000 мкГн. Конечно, вы можете использовать несколько параллельно.

Далее идет колпачок. Для этой установки вам нужны конденсаторы на 160 В или даже на 200 В. Я не смог найти конденсатор на 10 000 мкФ при таком напряжении, но достаточно легко (и обычно) использовать несколько параллельно. Один, который я видел, был 2700 мкФ, 200 В, имел высоту 50 мм и диаметр 30 мм и стоил 6 долларов США за каждый. Вам понадобится четыре.

После всего этого вам может понадобиться большой диод между GND и входной стороной катушки индуктивности. Если происходит какая-то странная индуктивная отдача, то этот диод поможет защитить ваш светодиодный контроллер от повреждений.

Таким образом, это можно сделать, но это будет большим, дорогим, и даже если вы сделаете это «правильно», все равно нет гарантии, что он будет работать так же хорошо, как правильный светодиодный контроллер. Вполне возможно, что ваш светодиодный контроллер просто не предназначен для работы с такой индуктивной нагрузкой и в конечном итоге не будет работать правильно или полностью умрет.

Спасибо, но это не тот вопрос, который я задавал) Я хочу знать, как это сделать с фильтром.
@Cray Ответ: «Не используйте фильтр». Действительно. Это не сработает, если вообще получится.
Из того, что я читал, фильтры постоянно используются именно для таких вещей. Черт возьми, даже простой тест, который я провел со случайным параллельным конденсатором, который у меня лежал (единственный со спецификациями, которые могли выдержать для этого вольты и ватты), уже уменьшил мерцание. Поэтому, когда все сделано правильно, можно добиться лучших результатов, я уверен, мне просто нужно знать, как это сделать. Я слышу ваши доводы, но, как я уже сказал, мой вопрос заключается в том, как настроить лучший фильтр, и я в порядке с небольшой дополнительной потерей мощности. Но ваш ответ может быть полезен другим людям, так что все равно спасибо.
@Cray Хотя фильтры RC и LC используются для такого рода вещей, они не так часто используются для вещей такого размера. То, что ваш игрушечный грузовик работает так же, как большой грузовик, не означает, что вы можете перевезти на нем свой дом. Я добавил материал в свой ответ, чтобы решить эту проблему.
Кстати, еще одна проблема с LC-фильтрами заключается в том, что если вы используете только один, вероятно, все равно будет значительное мерцание на частотах 200 Гц, 300 Гц и т. д.
Спасибо, кое-что из того, что вы добавили сейчас, очень полезно. Кроме того, напряжение составляет всего 12 вольт, а те ватты, которые я назвал, были безопасным пределом, на практике оно будет намного меньше, что-то вроде 30-50. Так что я думаю, что мог бы найти детали с такими параметрами относительно легко. Не могли бы вы просто указать, как вы сделали пример расчетов? По сути, я хочу знать, хочу ли я просто, чтобы и емкость, и недуктанс были «максимально большими», или мне не следует превышать определенный порог? (Кроме того, даже если будут мерцающие гармоники, это все равно улучшение! Конечно, оно не будет идеальным)
Кроме того, когда вы говорите «устранена любая способность затемнения», вы наверняка имеете в виду уменьшение способности затемнения? В противном случае это звучит так, как будто простой конденсатор будет «генерировать» мощность. В упомянутом тесте, который я сделал, конденсатор немного увеличил яркость , но диммирование все еще было легко выполнено. Кроме того, чтобы добавить к моему последнему комментарию, дополнительную мощность можно было бы получить, добавив простой повторитель / усилитель сигнала RGB и подключив к нему вход от фильтра, не так ли?
Придумал еще одну вещь: о мощности: это контроллер RGB, и в любом случае каждый канал должен иметь собственный фильтр, поэтому мощность на фильтр всегда будет составлять 1/3 от общей мощности! Тогда это действительно не так много ватт!
@Cray, конденсатор не вырабатывает никакой энергии, но он быстро загружается, когда ШИМ включен (потребляет больше тока, чем обычно), и высвобождает его, когда ШИМ выключен. Если у вас есть действительно большой конденсатор, очень низкое сопротивление и источник питания, способный справиться с потребляемым током, это полностью устранит возможность диммирования.
@Cray Более низкое напряжение помогает подобрать правильные колпачки, но не помогает индуктору. Допустим, у вас всего 50 Вт при 12 В. Это 4 ампера. Разделите на 3 для RGB, и вы получите 1,333 ампера. Это не меняет значение индуктора, но теперь вам нужно найти индуктор, который может выдерживать 1,333 ампера вместо 1,0 ампера. Так что ты на самом деле хуже, чем мои предположения.

Это не сработает.

Яркость светодиода линейна с рабочим циклом. Это НЕ линейно с напряжением. Если вы отфильтруете свой выход PWM фильтром нижних частот, вы получите напряжение, которое меньше напряжения включения светодиода, и он вообще не включится. И даже если рабочий цикл достаточно высок, чтобы отфильтрованное напряжение включало светодиод, вы потеряете управление яркостью. Мощность, излучаемая светодиодом, изменяется очень быстро при незначительном изменении напряжения.

Вы не можете эффективно управлять светодиодами, изменяя постоянное напряжение.

Хорошая точка зрения. Насколько узок диапазон напряжения, который затемняет светодиоды, не выключая их? Может есть хорошие графики или литература по этому поводу? Сейчас я думаю о других способах создания схемы светодиодов с нулевым мерцанием, так как кажется, что ШИМ действительно имеет много проблем с этим.
@Cray: это экспоненциальное отношение тока к напряжению, общее для всех диодов. Вам нужно будет обратиться к конкретной таблице данных для вашего конкретного диода, чтобы получить фактические цифры.

Светодиоды управляются ШИМ. Вот как это лучше всего сделать. Вы получите худшую кривую затемнения, если попытаетесь управлять ими по-другому. Фильтрация ШИМ отлично подходит для других приложений, так делаются блоки питания, но, как постоянно говорит вам Дэвид, она не подходит для светодиодов.

Если у вас есть проблема с мерцанием светодиода, я бы рассмотрел:

1) Стабильность питания (особенно на MCU)

2) Частота ШИМ. установить более высокий.

3) Код на микроконтроллер.

хотя я предполагаю, что вы не можете перепрограммировать свой светодиодный контроллер, иначе вы бы не спрашивали об этом. Могу ли я предложить вам приобрести Arduino или аналогичный микроконтроллер, чтобы вы могли правильно играть с этим материалом?

Является ли синусоидальная форма сигнала (в отличие от прямоугольной на выходе ШИМ) причиной, по которой фильтрацию можно эффективно использовать для блоков питания, но не для ШИМ? В таком случае, будет ли переменный преобразователь (от 220/110) + фильтрация хорошим выбором для наименьшего мерцания? Кроме того, не могли бы вы порекомендовать хороший высокочастотный ШИМ-контроллер? Насколько высокие частоты могут быть на них?
Как настроить аналоговый фильтр (фильтры) для максимального сглаживания ШИМ-сигнала частотой 100 Гц от светодиодного контроллера
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v