RGB-усилители. Особенности, проблемы, выбор
Казалось бы, простая вещь — RGB-усилитель, выбирай просто подходящей выходной мощности и используй. Но на деле не всё так просто. Ценой моих нервных клеток был получен опыт, которым спешу поделиться. Из этого материала вы узнаете, чем отличаются RGB-усилители, что не отражено в документации, где на упаковке враньё, и какие проблемы они могут создавать. Специально для этого материала я купил (и взял погонять) горку RGB-усилителей и отреверсил схемы. А ещё мне хотелось понять, чем обусловлен такой разброс цен на эти простые устройства.
Видеоверсия материала:
▍ Зачем они вообще нужны?
Мы живём в неидеальном мире, проводники которого обладают сопротивлением. Представим, что вы захотели наклеить светодиодную RGB-ленту по периметру спортзала. Стандартная катушка светодиодной ленты — 5 метров. Если соединить их последовательно, то вы столкнётесь с затуханием — начало ленты будет светиться ярче, чем её конец. В спортзал 5*10 метров понадобится 30 метров светодиодной ленты, и её невозможно соединить последовательно в одну линию и запитать в одной точке.
Если лента декларируется как мощная, но при этом низкого качества, как, например LEDPREMIUM LP-5050-300L-IP65-RGB, то разницу в яркости свечения начала и конца ленты вы увидите в пределах одной катушки (при декларируемой мощности 14,4 Вт/м, реально потребляемая мощность 5-метровой катушки примерно 30Вт — следствие потерь в проводниках ленты). Для RGB-ленты это будет выглядеть как изменение цвета. Когда включены все три канала, начало ленты будет белым, а конец уже отдавать желтизной. Фото плохо передаёт разницу в яркости начала и конца ленты, но она заметна.
В таком случае решений проблемы питания длинной линии из светодиодных лент несколько. Первый вариант — просто дотянуть до начала каждой ленты по толстому кабелю питания. Например 4*1,5 кв. мм. Решение хорошее, надёжное, но экономически оправдано, если длина линии невысокая и есть где проложить кабель.
Другой способ — использовать RGB-усилитель. Это набор ключей, которые управляются ШИМ-сигналом, позволяя питать мощную нагрузку, не нагружая источник сигнала. Кроме того, RGB-усилители позволяют использовать несколько блоков питания, синхронизируя нагрузки управляющим сигналом. Таким образом, не понадобится тянуть 4 проводника к каждой RGB-ленте, а достаточно тонкого силового кабеля на 220В с размещением блока питания и усилителя в месте, где начинается новая лента. Впрочем, ничего не запрещает комбинировать способы подключения в зависимости от обстоятельств.
Также RGB-усилитель понадобится, если вы хотите на выход контроллера повесить нагрузку больше, чем он способен потянуть. Например, RGB-контроллер рассчитан на нагрузку 100Вт, а вы хотите нагрузить его на 300Вт светодиодных кластеров.
Итак, что же может пойти не так в таких простых устройствах? При выборе в каталогах вы увидите только две значимые характеристики — рабочее напряжение (12В или модель, способная работать на напряжении 24В) и максимальный выходной ток. Ну и количество каналов — три для RGB и четыре для RGBW. Но опыт показал, что не всё отражено в документации.
▍ Враньё с максимальным током
Усилители работают на постоянном токе, и когда все каналы включены, полный ток всех каналов идёт по общему проводу (+12В). Поэтому важен максимальный суммарный ток через усилитель. Так как мы говорим об электрической цепи, то важно, насколько прочно самое слабое звено. Посмотрим на усилитель General Lightning systems GDA-RGBW-288-IP20-12, который продаёт ООО «Сонэс логистик».
На корпусе и в документации указано, что максимальный ток через усилитель 24А. Проблема только в том, что применены отстёгивающиеся разъёмы ZHONGA ZBK400R, на корпусе которых производитель явно пишет 300V 15A. То есть максимальный ток через усилитель ограничен способностями разъёма — 15А, и то, если вы уверены в китайском качестве разъёмов. Если вы поверите данным в документации, может закончиться обугленными проводами, примерно вот так (ток был всего 4,2А):
Фактически, если вам требуется выжимать из усилителя более 10А, избегайте отстёгивающихся клемм, пригодны только массивные под винт. Схема этого усилителя:
▍ Гальваническая развязка
Другая проблема, с которой можно столкнуться, тоже не отражена в документации. Для её понимания придётся усилитель вскрывать и перерисовывать схему. Вскроем для примера хороший усилитель Arlight LN-30A-2.
Схему я перерисовал:
Мы видим, что входной сигнал поступает на оптопары, и фототранзистор оптопар управляет выходными транзисторами, подтягивая их затворы к +12В. У этого решения несомненный плюс — цепь управления и цепь выхода связаны оптически, но не электрически! Кроме того, для открытия оптопары нужен ток в несколько мА, так что случайные наведённые помехи не в состоянии вызвать ложное срабатывание. Принцип гальванической развязки повсеместно используется в промышленной электронике, входы и линии связи имеют гальваническую развязку через оптопары.
А теперь возьмём и разберём усилитель, купленный у led-sib.ru LS ZS-AMF-01 A/C.
Схему я тоже перерисовал:
Что мы видим? Входной сигнал через резистор 10к поступает на вход компаратора. Гальванической развязки между входом и выходом нет! Более того, огромное входное сопротивление компаратора делает его очень чувствительным, и подтяжка в 100к не сильно спасает. На практике такая схемотехника усилителя вымотает вам нервы — на втором-третьем каскаде усилитель начинает жить своей жизнью и возбуждаться. Когда сигнал отсутствует (или свет погашен), вся линия, подключённая ко входу, оказывается подвешенной в воздухе и работает как огромная антенна, бодро хватая наводку из сети частотой 50 Гц.
Такой же ущербной схемотехникой обладает, например, компактный усилитель для ленты apeyron:
А вот, например, компактный noname-усилитель RGBW-ленты имеет в своём составе полноценную развязку, что меня удивило:
(На схеме ошибка, лишняя линия связи по V+ входа и выхода. Фактически этой связи нет.)
Ещё раз повторюсь: использование усилителей без гальванической развязки — лотерея, они могут как нормально работать, так и начинать хватать наводки из сети в зависимости от погоды, фазы луны и качества заземления. У меня была такая проблема с возбуждением некоторых усилителей на линии (последовательная линия 8 сегментов по 8 метров). Замена усилителей на arlight с гальванической развязкой исправляла проблемы в сегменте, где наблюдался «звон».
Определить, есть ли гальваническая развязка в усилителе, несложно — достаточно мультиметром измерить сопротивление между V+ входа и V+ выхода, оно должно быть близким к бесконечности.
▍ Проблемы с быстродействием.
Использование оптопар — не панацея. Предельная рабочая частота для простых оптопар невысока. При использовании сигнала с контроллеров с низкой частотой ШИМ (сотни Герц) это не приводит к проблемам. Но если в погоне за ровным светом без мерцания частоту ШИМ поднять, то усилитель начнёт вносить искажения. Это будет выглядеть как изменение оттенка света в ленте до и после усилителя. Производители с этим борются. Разберём усилитель Arlight LN-24A, цена которого неадекватна содержанию:
Схема:
Видно, что вместо обычных «аналоговых» оптопар вроде PC817 используются высокоскоростные оптопары 6N137 с логическим выходом. Из-за логической схемы внутри они требуют питания, поэтому в схеме есть цепь с линейным стабилизатором питания 7805 и 7812. Такой усилитель обеспечивает гальваническую развязку и не портит цвета недостаточным быстродействием.
На скриншоте ниже видно, как ведёт себя усилитель apeyron с обычными оптопарами. При частоте ШИМ в 200 Гц он работает. При частоте в 20 кГц на выходе сигнала нет. Опытным путём определяем, что при частоте в несколько кГц сигнал на выходе искажается до неработоспособности — выходные ключи не успевают открываться. Жёлтый — вход (инверсный), голубой — выход:
А вот графики для усилителя Arlight LN-24A. Он работает как при частоте ШИМ в 200 Гц, так и при частоте ШИМ в 20 кГц, с небольшим искажением:
▍ Качество исполнения
Когда я только вскрыл усилитель от led-sib, я подумал, что хуже быть не может. Но оказалось — может. Усилитель от ECOLA:
Неотмытый флюс, для удешевления используется односторонняя печатная плата. Так как тепло с полевых транзисторов отводится через корпус на дорожки платы, то использование односторонней платы ухудшает условия теплообмена, и при использовании некачественных транзисторов возможна ситуация с перегревом ключей. На плате присутствуют рудиментарные посадочные места под оптопары, как и в усилителе led-sib, но их смысл непонятен — дорожки не позволят их задействовать!
▍ Выводы
К сожалению, цена и качество RGB-усилителей мало взаимосвязаны. Можно задорого купить ерунду, а дешёвый noname-усилитель окажется вполне достойным. Только обзор внутренней начинки позволяет понять, стоит ли использовать изделие.
Если не хочется проблем со странным поведением RGB-усилителей, нужно использовать только усилители с гальванической развязкой. Это свойство не отражено ни в характеристиках, ни в документации (которой часто перепродавец китайских товаров даже не располагает). Единственный способ определить это без разборки — измерение сопротивления между V+ входа и V+ выхода.
При использовании контроллеров с высокочастотной ШИМ выхода недостаточно быстрые RGB-усилители могут вносить искажения в цвет свечения. В таких случаях стоит обратить внимание на модели, где явно указано «high speed».
Не доверяйте указанному на корпусе току. Если клеммы отстёгиваются, суммарный рабочий ток точно менее 15А. Если клеммы под винт — 30А (согласно документации производителей клемм).
P. S. Ещё фото усилителей.
Arlight LN-12A
Apeyron
[Последняя схема не влезла из-за лимита 25 медиаблоков. ссылка на картинку. Пикабу не хабр, редактор улучшают но по прежнему для лонгридов не пригоден.]
Ссылка на телеграм в профиле. Да, этот материал был опубликован на хабрахабре в блоге RuVDS.
