Tolygus LED apšvietimo valdymas naudojant PWM

Šiais laikais plačiai paplito šviesos diodų apšvietimas. Šviesos diodai be savo taupumo turi dar vieną puikią savybę: jų šviesos ryškumą galima nesunkiai valdyti. Lengviausiai tas ryškumas keičiamas naudojant PWM technologiją – Pulse Width Modulation. Naudojant PWM apšvietimo ryškumas keičiamas ne tolygiai, o mažais žingsneliais. Rašydamas šį straipsnelį aš laikysiu kad skaitytojas žino kas yra PWM valdymas, Duty Cycle, PWM rezoliucija ir panašiai. Integruotus PWM modulius turi  mikrokontroleriai, specializuoti LED apšvietimo valdikliai. PWM moduliai skiriasi savo rezoliucija: plačiai paplitę 8, 10 ir 12 bitų moduliai. Rezoliucija rodo, kiek laiko tarpelių (žingsnelių) turime apšvietimo reguliavimui. Žingsnelių skaičius atrandamas pagal formulę: Steps=2^Bits. Taigi aštuonių bitų modulis turi 2⁸=256 žingsnelius, 10 bitų – 1024 ir 12 bitų – 4096. Kuo daugiau žingsnelių, tuo tolygesnis šviesos ryškumo keitimas yra galimas. Šviesos diodo valdymas PWM pagalba atrodo paprastas: jei norim 50% diodų ryškumo, reikia Duty Cycle irgi padaryti 50% ir viskas. Tokiu atveju ryškumas būtų keičiamas tiesiškai. Ir tai yra gerai, jei apšvietimui nekeliam didelių reikalavimų, pvz.: kokiam LCD ekranėlio ryškumo reguliavimui ir panašiai. Bet jeigu mes norime kad šviesos ryškumas didėtų ar mažėtų tikrai tolygiai, tiesiškas reguliavimas netiks. Keičiant šviesos ryškumą nuo 0% iki 100% mums atrodys kad vienoje vietoje ryškumas kinta labai greitai, o kitoje beveik nesikeičia. Taip yra todėl, kad žmogaus akis šviesos ryškumą mato ne tolygiai, o daugmaž pagal eksponentinę kreivę. Tai galime pamatyti šiame grafike:

Čia abscisių ašis yra fizinis apšviestumas (physical luminance), ordinačių ašis yra suvokiamas šviesumas (perceived brightness). Ką reiškia šitie parametrai? Physical luminance tai yra ryškumas kurį realiai duoda šviesos diodas. Pavyzdžiui jei naudojant PWM diodas bus 50% laiko įjungtas ir  50% laiko išjungtas, tai  physical luminance parametras bus lygus 50%. Perceived brightness tai yra toks ryškumas, kurį mato mūsų akis. Pavyzdžiui, pagal eksponentinę kreivę iš grafiko (mėlyna) matome: jei physical luminance parametras yra 2050 – apie 50%, tai mūsų akiai atrodys kad šviesos šaltinis šviečia jau net 92% viso savo ryškumo. Pradžioje kreivė labai lėtai kyla į viršų o tai reiškia kad mūsų akis esant mažam apšvietimo ryškumui pastebi ir mažiausią jo pasikeitimą. O kai ryškumas didelis, akis fiksuoja tik mažą pasikeitimą net jei ryškumas iš tikro keičiasi smarkiai.

Dabar paimkime konkretų pavyzdį.

Tarkime, mes norime keisti šviesos diodo ryškumą nuo 0% iki 100% (perceived brightness), tai yra nuo visiškai išjungto iki pilnos galios. Šviesos diodas valdomas per prietaisą, kuris turi integruotą PWM modulį. Jo rezoliucija yra 12 bitų, taigi turime 212=4096 žingsnelius nuo 0 iki 4095 (physical luminance). Mums reikia paskaičiuoti po kiek žingsnelių diodas turi būti įjungtas prie kiekvienos diodo perceived brightness reikšmės nuo 0% iki 100%. Formulė yra tokia:

Skaičiavimus patogiausia atlikti Excel programa pasirašant reikalingą formulę.

Šioje lentelėje yra paskaičiuoti apšvietimo ryškumo parametrai pagal aukščiau pateiktą pavyzdį.

Perceived brightness in %	Physical luminance	Physical luminance, corrected
0	0	0
1	0	1
2	0	2
3	0	3
4	0	4
5	1	5
6	1	6
7	1	7
8	1	8
9	1	9
10	1	10
11	1	11
12	2	12
13	2	13
14	2	14
15	2	15
16	3	16
17	3	17
18	3	18
19	4	19
20	4	20
21	5	21
22	5	22
23	6	24
24	6	26
25	7	28
26	8	30
27	8	32
28	9	34
29	10	36
30	11	38
31	12	40
32	13	42
33	15	44
34	16	46
35	17	48
36	19	51
37	21	54
38	23	57
39	25	60
40	27	63
41	29	66
42	32	70
43	35	74
44	38	78
45	41	82
46	45	87
47	49	92
48	53	97
49	58	103
50	63	109
51	69	115
52	75	122
53	81	129
54	88	137
55	96	146
56	104	155
57	114	165
58	124	176
59	134	188
60	146	200
61	159	213
62	173	228
63	188	244
64	204	261
65	222	279
66	241	299
67	262	320
68	285	343
69	310	368
70	337	395
71	366	425
72	398	457
73	433	492
74	470	530
75	511	571
76	555	615
77	604	663
78	656	715
79	713	772
80	775	833
81	842	900
82	916	972
83	995	1051
84	1081	1136
85	1175	1229
86	1277	1330
87	1388	1439
88	1509	1558
89	1640	1687
90	1782	1827
91	1937	1979
92	2105	2144
93	2287	2323
94	2486	2518
95	2701	2729
96	2936	2959
97	3191	3209
98	3467	3480
99	3768	3775
100	4095	4095

Čia vėl iškyla viena problema: matom kad Physical luminance stulpelio pradinės reikšmės, paskaičiuotos pagal formulę, yra 0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1… .Jas reikia pakoreguoti, kad nebūtų vienodos ir pradžioje keistųsi bent po vienetą.  Pakoreguotos reikšmės yra Physical luminance, corrected stulpelyje. Mėlyna kreivė grafike yra nepakoreguota, o raudona – su korekcija.

Kam įdomu tas gali parsisiųsti Excel failą su visomis formulėmis iš čia.