Jak ściemniane jest oświetlenie LED? Czyli współczynnik wypełnienia impulsu prostokątnego PWM w pigułce

Pozwólcie ze w dzisiejszym artykule przybliżę Wam informacje dotyczącą oświetlenia LED i sterowania PWM. Czy zastanawialiście, w jaki sposób wasz ściemniacz do LED reguluje poziom natężenia jasności? Co się dzieje w momencie użycia pilota bądź przycisku w ściemniaczu LED? Załóżmy ze mamy sterownik do taśm LED, co pierwsze przychodzi na myśl osobom mającym styczność z tradycyjnym oświetleniem? Zapewne regulacja napięciem, prądem bądź rezystancją i oczywiście może być to poprawna odpowiedź - lecz nie w tym przypadku.

Współczynnik impulsu prostokątnego PWM a sterownik LED

Mowa oczywiście o współczynniku wypełnienia impulsu prostokątnego (ang. Pulse Width Modulation), który w skrócie wykorzystuje częstotliwość załączania oraz wyłączania diody LED. Aby to dobrze zrozumieć, musimy wyjaśnić w jaki sposób nasze oko odbiera światło do niego docierane. Nasze oko jest w stanie dostrzec określoną ilość obrazów, które są przetwarzane w naszym mózgu jako składowa tego co widzimy. Są to okolice 50-60Hz na sekundę. Jeśli światło LED załącza się i wyłącza w dostrzegalnej przez nas częstotliwości, to odbieramy to jako miganie, a prościej ujmując włączanie i wyłączanie. Jeśli natomiast przekroczymy tą magiczną :) wartość (50-60Hz), tak jak dzieje się to w przypadku PWM w oświetleniu, nasze oczy będą starały się zsumować obrazy, co w efekcie będzie odbierane, jako pewien poziom jasności.

Zatem w jaki sposób tak szybko włączać i wyłączać oświetlenie? To proste stosując odpowiednie urządzenie jakim jest sterownik do LED, wykorzystujący wspomniany sposób oparty na zmianie liniowej charakterystyki jasności względnej. Jak to jest możliwe do uzyskania? Otóż wszystko za sprawą zalety, jaką charakteryzuje się oświetlenie LED - otóż diody LED cechują się jako bardzo szybkie elementy wykonawcze, uzyskujące niemal maksymalną sprawność zaraz po otrzymaniu sygnału (załączeniu) i mówimy tu oczywiście o sygnale zero-jedynkowym, realizowanym właśnie przez urządzenie jakim jest właśnie sterownik. Właśnie, dlatego sterowanie wykorzystujące modulacje PWM jest niemożliwe w tradycyjnym oświetleniu halogenowym.

Jak wygląda sygnał PWM? – graficzny pogląd na ściemnienie poprzez PWM

No dobrze, gdy opisaliśmy sobie po krótce, na czym polega i w jaki sposób ściemniacze do led wykorzystują wspomniany sygnał PWM, spójrzmy na ten temat z innej perspektywy - perspektywy graficznej:

Wartość "T" - to cały okres czasu na który przypada załączenie oraz wyłączenie światła - ściemniacz zazwyczaj ma określoną częstotliwość PWM wyrażaną w hercach (Hz). Im wyższa wartość wyrażona w hercach, tym płynniejsze będzie ściemnianie.

Wartość "t" - to stan wysoki (okres czasu, w którym oświetlenie jest załączone, tak zwana szerokość PWM) - to ta wartość decyduje czy światło będziemy odbierać jako ściemnione czy rozjaśnione. Im bliżej do okresu "T", tym jaśniej świeci oświetlenie ze względu na to że jest załączane na dłuższy okres czasu. Wartość ta najczęściej wyrażana jest w % i określana mianem wypełnienia.

Zalety i wady sterowania PWM

1. łatwość sterowania - od elektronicznej strony realizacja modulacji PWM jest jednym z najprostszych sposobów do regulacji jasności oświetlenia
2. względem tradycyjnego oświetlenia, uzyskujemy w pełni liniowe sterowanie jasnością na poziomie 0.1-100%
3. brak negatywnego wpływu na parametry diody LED
4. przyjazne dla ludzkiego oka – nie męczy go (przy zastosowaniu dobrych jakościowo produktów o częstotliwości minimum 100Hz)
5. wyeliminowanie niskiej uniwersalności ze względu na różną charakterystykę pracy – PWM działa bez względu na różne parametry diod LED
6. przy większych instalacjach – niski koszt użytkowania

Oczywiście wady znajdą się zawsze i w przypadku sterowania PWM podstawową wadą może być generowanie zakłóceń. Generowanie zakłóceń będzie zwiększało się wraz z wzrostem prądu modulowanego PWM a także długością przewodów przez które te prądy płyną.

Celem uniknięcia ewentualnej generacji zakłóceń wywołanych przez modulację PWM należy minimalizować długości przewodów w instalacji oświetleniowej, zadbać o prawidłową topologię instalacji a także co najważniejsze prawidłowo dobrać przekroje przewodów do prądów mogących popłynąć w danym obwodzie. Jeśli nie jest możliwe zapewnienie wystarczającego przekroju przewodu w instalacji z modulacją PWM należy wówczas taką instalację rozproszyć na mniejsze obwody w których popłynie mniejszy prąd. Przy zastosowaniu się do powyższych informacji i doborze dobrych jakościowo produktów oraz profesjonalnym wsparciem, którym służymy – minimalizujemy wady i ryzyko niemal do zera.

Modulacja PWM a diody LED wielokolorowe

Omówiliśmy powyżej jak wygląda ściemnianie dla diod LED monochromatycznych czyli jednokolorowych. Zatem jak wygląda sterowanie diodami LED wielokolorowymi (np. RGB czy RGBW) za pomocą modulacji PWM. Czy w tym wypadku wykorzystywany jest inny sposób sterowania aby uzyskać odpowiednią kolorystkę oświetlenia? Oczywiście nie - także w tym przypadku czyli diod wielokolorowych również stosuje się powszechnie sterowanie PWM.

Aby to omówić należy zacząć od podstaw czyli mieszania trzech podstawowych kolorów R - czerwonego / G - zielonego / B - niebieskiego. Odpowiednia mieszanka (proporcja) każdego z tych trzech podstawowych kolorów przełoży się nowy kolor wynikowy. Tak samo jest w oświetleniu np. RGB. Dioda LED RGB w swojej budowie posiada trzy chip-y każdy o odpowiedniej długości fali (potocznie innym kolorze). Zmieszanie w odpowiednich proporcjach każdej z długości fali stworzy nam nowy kolor wynikowy. Modulacja PWM będzie tu rozszerzona na trzy odrębne kanały - każdy kanał będzie odpowiadał za daną długość fali (R / G / B) i odpowiednie ustawienie współczynnika wypełnienia prostokątnego.

Na poniższej grafice zaprezentowaliśmy przykładową modulację PWM dla każdego kanału z osobna dla diody RGB. Złącze R z kolorem czerwonym będzie wypełniane w 90%, następnie złącze diody G będzie posiadało modulację na poziomie 50% i ostatnie złącze B zostanie wypełnione również w 90%. Tak ustawiony współczynnik wypełnienia dla każdego z kolorów dał nam nowy wynikowy kolor z diody zbliżony w tym przykładzie do koloru różowego.

Dla przykładu możemy posłużyć się jeszcze jednym ustawieniem współczynnika wypełnienia dla każdego z złącz diody RGB (R - 50%, G - 50%, B-50%) - tak zmodulowany sygnał stworzy na omawianej diodzie LED zbliżony biały kolor który będzie ustawiony na 50% swojej jasności. Oczywiście wszystkie wymienione wyżej funkcje wykonuje odpowiedni sterownik do oświetlenia z modulacją PWM (a dokładniej cała elektronika która się w nim znajduje) - nam zazwyczaj pozostaje intuicyjne i proste wybranie koloru czy poziomu jasności - czy to na pilocie czy na innym urządzeniu wykonawczym.

Czy przy sterowaniu PWM może wystąpić piszczenie lub buczenie?

By odpowiedzieć na to pytanie należy wejść w sferę elektroniczną urządzenia z modulacją PWM (np. sterownika LED). Omawiany sterownik wykonuje modulację PWM przy pomocy elementu jakim jest tranzystor.  Tranzystory w przeciwieństwie do przekaźników są bardzo szybkie w działaniu (w włączaniu i wyłączaniu). Jednakże przy dużych prądach płynących przez tranzystor i częstotliwościach potrafi on wydobywać z siebie właśnie nietypowe dźwięki odbierane jako piszczenie.

Tego typu zachowanie spowodowane jest zjawiskiem magnetostrykcji czyli odkształcaniu pewnych struktur tranzystora pod wpływem pola elektromagnetycznego generowanego przez płynący duży prąd. Opisane powyżej zjawisko może wystąpić w instalacji oświetleniowej w której popełniono błędy wykonawcze - na przykład poprzez dobór zbyt małych przekrojów przewodów, błędnie wykonaną topologię oprzewodowania lub przy bardzo dużych prądach płynących w obwodzie. Aby uniknąć lub minimalizować to zjawisko należy zadbać o prawidłowy dobór całej instalacji i następne o prawidłowe wykonanie.

Podsumowanie – wybór odpowiedniego sterownika LED

Do sterowania z wykorzystaniem modulacji PWM w oświetleniu można spotkać w zdecydowanej większości sterowniki LED, proste – tanie – drogie – profesjonalne – ekonomiczne – specjalistyczne etc. Umówmy się - wszystkie spełnią ten sam efekt, lecz w końcowym rezultacie, przy wyborze tych najtańszych zbliżymy się bardziej do opisanych wad niż zalet. Oczywiście nie wspominając już o samym wykonaniu, funkcjonalności czy estetyce produktu. Większość sterowników LED które posiadamy w naszym asortymencie z modulacją PWM pracują na częstotliwości minimum 250 oraz 500Hz. Dysponujemy także sterownikami LED i ściemniaczami do oświetlenia LED które mogą pracować na bardzo wysokich częstotliwościach rzędu 2kHz (2000Hz). Zastosowanie wyższych częstotliwości przy modulacji PWM często konieczne jest w celu uniknięcia efektu migotania dla kamer wideo i aparatów cyfrowych. Warto mieć na uwadze że wzrost częstotliwości może wiązać się z ryzykiem zwiększenia generacji zakłóceń. Przy wyborze sterownika do oświetlenia LED uniwersalną zasadą może okazać się zasada balansu miedzy, jakością a ceną. Każde dobre jakościowo urządzenia zawsze mają swoją cenę i zazwyczaj  służą nam bezawaryjnie długimi latami.