PWM eli pulssisihuhde. PWM himmennin on pulssisuhdehimmennin

PWM eli pulssisuhdehimmennys on LED-valoilla yleisin himmennysmentelmä. Se on myös energiatehokas.

VAKIO JÄNNIITE (CV): PULSSISUHDEHIMMENNYS (PWM = pulse width modulation).



Tällä himmennys menetelmällä on useita saman tyyppisiä nimiä. Ne kaikki kuitenkin tarkoittavat samaa asiaa, pulssisuhteen muuttamista eli pulse width modulation (PWM). Tämä sopii siis tuotteille, joita ohjataan jännitteellä eli tarkemmin vakiojännitteellä (CV, constant voltage). PWM himmentimiä voidaan säätää useilla eri tavoilla.

Tätä himmennysmenetelmä käytetään lähes poikkeuksetta vain vakiojännitteelllä (constant voltage, CV) toimivilla LED valoilla kuten 12…24 tasajännitteellä. Jos käytössäsi on 230 Vac jännite, tarvitset jännitelähteen, jolla käyttöjännite alennetaan 12…24 V jännitteeksi. Käytössäsi olevan LED valon tulee luonnollisesti toimia tällä jännitteellä, esim. joko 12 V tai 24 V. Tämä menetelmä on käytössä mm. LED valonauhoissa ja alumiinisissa LED listoissamme sekä korvauspolttimoissa (pienjnnitteellä toimivat). Näissä tuotteissa on aina oma ohjauslektroniikka, jossa käyttöjännite muutetaan lopulta LED komponentin ohjausvirraksi.



Himmennysmenetelmän periaate.


Kun käyttöjännite on joko päällä (valot päällä) tai jännite ei ole päällä (valot poissa päältä), vastaavat nämä kaksi eri vaihtoehtoa valon voimakkuuden osalta 0% ja 100% tasoa. Kun jännitettä aletaan katkomaan päälle / pois päältä, niin valo menee sen mukaan päälle ja pois päältä. Jos valo on päällä puoli sekunttia ja sen jälkeen puoli sekunttia poissa päältä, niin sekunnin aikana valo on päällä vain puolet ajastaan eli 50% ajasta. Tällöin valoa on siis himmennetty 50% sekunnin aikana (aikaintegraali).


Kuvassa pulssi-suhdehimmennyksen periaate. Jos lähtöjännite on koko ajan päällä (kuvion oikea reuna, +12/24V), niin valo palaa 100% teholla eli sitä ei himmennetä. Vastaavasti taas jos lähtöjännite on täysin poissa (0 V), niin valo ei pala lainkaan eli se on täysin himmennetty. Jos lähtöjännite on puolet ajasta päällä ja puolet ajasta pois päältä, valo palaa 50% teholla. Säätämällä päälläolon ja poissa olon välistä suhdetta (PWM), säädetään samalla valon valotehoa. valotehon säätö perustuu matemaattisesti siis jännitteen tehollisarvon aikaintegraaliin.

Ihmissilmä luonnollisesti näkee edellisen esimerkin himmennyksen valon vilkkumisena puolen sekunnin välein. Ihmisen näköaisti on kuitenkin kohtalaisen hidas. Perinteisesti tätä hitautta on käytetty hyödyksi meidän kaikkien tuntemassa televisiotekniikassa, jossa alun perin kuva vaihdettiin Suomen lähetyksissä 25 kertaa sekunnissa (taajuus 50 Hz lomituksen ansiosta). Kuva siis “vilkkui” 25 kertaa sekunnissa, eikä silmä sitä havainnut sen ominaisuuksien vuoksi. Nykyisinkin Full HDTV:n kuva “välkkyy” lähes samalla taajuudella (lomittamaton kuva max 60 kertaa sekunnissa, pienmmätkin arvot sallittuja aina 24 saakka), eikä silmämme edelleenkään sitä havaitse. Tätä samaa näköaistin hitautta käytetään hyväksi myös pulssisuhteella (pwm) toimivissa himmentimissä. Niissä valon säätötaajuus ohjataan niin korkeaksi, ettei näköaistimme havaitse päällä / poissa päältä olemista, vaan valo näkyy ainoastaan himmentyneenä, jota se oikeasti onkin. Jos 20% ajasta valo on päällä ja 80% ajasta poissa päältä, ohjataan valoa 20 / 80% pulssisuhteella, eli himmennyksellä valomäärä on asetettu 20%:iin. Sen lisäksi, että valo himmenee 20%iin, laskee sen energiankulutus vastaavasti, koska 80% ajasta valo ei kuluta sähköä lainkaan.

Jännitteellä ohjattavissa LED valoissa on aina elektoniikkaa, joka muuttaa syöttöjännitteen LED komponentille sopivaksi virraksi. Kaikkia LED komponentteja siis ohjataan lopulta virralla. Tätä tietoa hyväksi käyttämällä pulssisuhdehimmentimiä voidaan joissakin tapauksissa käyttää myös viralla ohjattavissa LED valoissa, tästä kerromme lisää esimerkkikytkentöjen kohdalla.

Pulssisuhdesäädössä on usein lähtökohtana ihmissilmä ja sen ominaisuudet. Kun pulssisuhdesäätimellä himmenetään valoja, voi se tuottaa rajoitteita videokuvaukseen, koska kamera havaitsee valon eri tavalla kuin silmä. Kameran kuvaan voikin tulla alaspäin liikkuva tumma vaakaraita. Raidan tuleminen kuvaan (tai pois jäänti) riippuu jonkin veran myös videokameran ominaisuuksista himmentimessä käytetyn säädön perustaajuuden lisäksi. Pulssisuhdesäätimissä perustaajuuden (ohjaustaajuus) tulee olla vähintään 200 Hz, jotta se ei häiritse ihmistä. Tämä on usein aivan liian alhainen videokuvaamiseen. Tyypillisesti säätö onkin aina kilohertsejä.

Ihmissilmä on adaptiivinen valomäärän suhteen, koska silmässä on mm. säätyvä iiris eli silmä itse kompensoi laskevaa tai nousevaa valomäärää säätämällä iiriksen kokoa. Silmän valomäärän aistimus on siis hieman progressiivinen. Kun valoa himmennetään, silmä ei useinkaan haivaitse tätä muutosta kovin helposti, vaikka valo- ja sähkötehomittari sen näyttääkin. Tämä on yleinen ilmiö. Kun valoja aletaan tasaisesti himmentämään, niin aluksi tuntuu siltä, ettei valot juuri himmene, ja lopuksi ne himmenevät hyvin nopeasti. Valo- ja sähkömittari kuitenkin näyttävät, että valot himmenevät lineaarisesti läpi koko säätöalueen. Ilmiötä voidaan käyttää myös hyväksi. Valoja ei aina tarvitse käyttää täydellä teholla. Usein himmentimissä on otettu huomioon tämä silmämme adaptiivisuus, ja niissä himennys ei ole täysin lineaarinen.

Pulssisuhteen säätö on kustannustehokas ja energiaa säästävä himmennysmenetelmä, joka on usein hyvin suositeltava menetelmä. Pulssisuhdehimmennin toimii kuitenkin radiolähettimenä, siinä on lähetystaajuus (pulssisihdehimmentimen perustaajuus) jota moduloidaan (pwm taajuus) ja siinä on myös antenni (tulo ja lähtöjohto). EU alueen CE vaatimuksissa EMC vaatimukset eivät ole niin korkeat ja täydelliset, ettei häiriöiden syntyä (häiritsevä laite) ja niiden sietoa (häirittävä laite) ole täysin pois suljettu. Tästä syystä asennuksessa tulee noudattaa ohjeita ja yleisiä hyviä työtapoja EMC/EMI asioissa. Pulssishdesäätimen radiospektri sisältää kaikkia mahdollisia taajuuksia, koska sen lähtö on kanttiaaltoa.

PWM himmentimien säätö- / ohjaustavat.

PWM himmentimiä voidaan säätä käytänössä kaikilla mahdollisilla sätötavoilla. Yleisimmät tällä hetkellä käytöss’ä olevat ovat mm:

● Kauko-ohjain. Laaja valikoima erillaisia kauko-ohjaimia. Radiotie (RF) tai infrapuna (IR)
● Painonappi (push-dim). Mekaaninen palautuva kytkin, yleensä palautusjousella varustettu normaali valokytkin..
● Kosketuspaneeli (toimii esim. sormen kosketukella, myös märkänä ja ulkona)
● 1-10 V ohjaus (analoginen valojen ohjaus). Ohjataan joko kierrettävällä napilla tai painikkeilla.
● DALI (digitaalinen valojen ohjaus). Ohjataan joko kierrettävällä, painikkeilla tai monimutkaisemmilla ohjaimilla.
● KNX (kiinteistöautomaatio). KNX (kiinteistöautomaatio). Vaatii KNX-DALI sillan (gateway)

Myös Triac (tyristori) tyyppinen valonsäädin on periaatteesa mahdollinen, mutta sellaista emme suosittele jos joku muu vaihtoehto on käytössä.

VAKIOVIRTA (CC): HIMMENNYS VIRTAA SÄÄTÄMÄLLÄ.

Useita LED valoja ohjataan ulkoisesti suoraan virralla. Nämä valot tunnistaa siitä, että valon kanssa tarvitaa LED ohjain, jonka lähtövirta on tarkkaan määritelty (ei siis maksimi lähtövirta, vaan tarkasti joku arvo milliampeereina). LED komponetti on diodi eli puolijohde, sen tuottamaa valomäärää ohjataan virralla, ei jännitteellä. Diodin läpi kulkevan virran säätö vaikuttaa suoraan myös saatavaan valomärään. Esim. 700 mA:n LED:illä 700 mA:n virta antaa 100% valomäärän ja 350 mA 50% valomärän. Niinpä himmennettäessä valoja, käytänössä säädetään tavalla taikka toisella LED ohjaimen lähtövirtaa. Useimmiten tämä virran säätö tapahtuu virtaohjaimen sisällä PWM säädöllä, vaikka ulkoisesti se einäy, vaan ohjaimen ohjaama lähtövirta säätyy.

VALONSÄÄTIMET JA NIIDEN KYTKENTÄ

PULSSISUHDEHIMMENTIMEN (PWM) KYTKENTÄ

Pulssisuhdehimmentimen (PWM) toimintaperiaate käytiin jo aiemmin läpi. Näitä himmentimiä voidaan siis säätää useilla eri ohjausmenetelmillä. Himmentimet soveltuvat siis ohjamaan LED valonauhoja, alumiinisia LED listoja (VLWP025T…, VLWP050T…, VLWP100T…) sekä korvauspolttimoita.

Pulssisuhdehimmennin kytketään LED valon syöttöjännitteeseen. Alla on kuva kytkennästä yksinkertaisemmillaan. PWM himmennintä käytettään eniten LED nauhojen (CV, constant voltage) kanssa.


Kuvassa kaksi LED nauhaa on kytketty PWM himentimeen. Käyttösähkö otetaan akusta

Jos käytössä on 230 Vac jännite, tarvitaan jännitelähde.


uvassa kaksi LED nauhaa on kytketty PWM himentimeen. Käyttösähkö alennetaan jännitelähteellä 230 Vac jännitteestä.

PWM himmentimissä on määritelty maksimi kuormitettavuus. Se ilmoitetaan joko tehona tai virtana. Kumpana tahansa se ilmoitetaan, se tarkoittaa samaa (teho = virta * jännite). Jos PWM himmentimen ohjausteho ei riitä, voidaan sitä kasvattaa käytänön tilanteissa rajattomasti ns. tehonsyöttövahvistimen avulla.

.

PULSSISUHDEHIMMENNIN KAUKO-OHJAIMELLA

Useissa pulssisuhdehimmentimissä on kauko-ohjain. Kauko-ohjaimella voidaan ohjata himmentimen kaikkia toimintoja ja mahdollisia pikavalintoja (himmennystasolle). Joissakin PWM himmentimissä on myös joitakin ohjelmia. PWM himmentimissä on yleensä myös muisti. Muistain ansiosta himmennin muistaa viimeisen asetetun himmennystason. Tällöin himmentimen syöttöjännitteeseen voidaan laittaa normaali mekaaninen (tai muu) valokytkin, joka ei ole yleensä pakollinen, mutta helpottaa käyttöä. Tällöin valojen kytkeminen on erittäin helppoa ja valot syttyvät aina halutulla voimakkuudella (viiimeksi valittu). Himmennystoiminnot taas voidaan ohjata kauko-ohjaimella. Kauko-ohjaimia on monen tyyppisiä ja osa on tarkoitettu kiinteään asennukseen. Tällöin himmennin voi sijaita piilossa rakenteissa ja sen kauko-ohjain voidaan sijoittaa ilman johdon vetoja haluttuun käyttöpaikkaan.

YKSI KAUKO-OHJAIN, MONTA ERILLISTÄ PWM HIMMENNINTÄ

Kauko-ohjain ja sen ohjaama himmennin on yleeensä koodatu tai paritettu keskenään, jotta samanlaiset laitteet eivät häiritsisi eli ohjaisi toisiaan ristiin. Samassa tilassa voi siis olla useita samanlaisia kauko-ohjain/himmennin yhdistelmiä, ja ne toimivat toistaan riippumatta. Joskus on kuitenkin tarve tilanteeseen, jossa yksi kauko-ohjain pystyisi ohjaamaan monta eri himmennintä. Tämä voidaan toteuttaa siten, että kauko-ohjain (lähetin) paritetaan useamman vastaanottimen kanssa. Tämä seurauksena yhdellä kauko-ohjaimella annetu ohjaus säätää kaikkia kantomatkan sisällä olevia himmentimiä

.