Андрей Смирнов
Время чтения: ~22 мин.
Просмотров: 0

Зачем нужен драйвер для светодиода и как подобрать

Классическая схема драйвера

Для самостоятельной сборки LED блока питания разберемся с наиболее простым устройством импульсного типа, не имеющего гальванической развязки. Главное преимущество такого рода схем – простое подключение и надежная работа.

Схема преобразователя на 220 В представлена в качестве импульсного блока питания. При сборке необходимо соблюдать все правила электробезопасности, т. к. здесь нет пределов по токоотдаче

Схема такого механизма составлена из трех основных каскадных областей:

  1. Разделитель напряжения на емкостном сопротивлении.
  2. Выпрямитель.
  3. Стабилизаторы напряжения.

Первый участок – противодействие, оказываемое переменному току на конденсаторе С1 с резистором. Последний требуется исключительно для осуществления самостоятельной зарядки инертного элемента. На работу схемы он не оказывает влияния.

Номинальное значение резистора может находиться в диапазоне 100 кОм-1 Мом, с мощностью 0,5-1 Вт. Конденсатор должен быть электролитическим, а его эффективное амплитудное значение напряжения – 400-500 В

Когда образованная полуволна напряжения проходит через конденсатор, ток протекает до тех пор, пока обкладки полностью не зарядятся. Чем меньше емкость механизма, тем меньше времени будет затрачено на его полный заряд.

Например, прибор объемом 0,3-0,4 мкФ заряжается в течение 1/10 периода полуволны, т. е. всего десятая доля проходящего напряжения пройдет через этот участок.


Процесс выпрямления на этом участке выполняется по схеме Гретца. Диодный мост подбирается, отталкиваясь от номинального тока и обратного напряжения. При этом последнее значение не должно быть меньше 600 В

Второй каскад является электрическим устройством, преобразующим (выпрямляющим) переменный ток в пульсирующий. Такой процесс называется двухполупериодным. Поскольку одна часть полуволны была сглажена конденсатором, на выходе этого участка постоянный ток будет равен 20-25 В.


Так как питание светодиодов не должно превышать 12 В, для схемы необходимо использовать стабилизирующий элемент. Для этого вводится емкостный фильтр. Например, можно применять модель L7812

Третий каскад работает на базе сглаживающего стабилизирующего фильтра – электролитического конденсатора. Выбор его емкостных параметров зависит от силы нагрузки.

Поскольку собранная схема воспроизводит свою работу сразу, нельзя касаться оголенных проводов, т. к. проводимый ток достигает десятков ампер – предварительно проводится изоляция линий.

Блок питания

Блок питания на основе трансформатора

В основе такого блока питания лежит большая, железная, гудящая штуковина.:) Ну, нынешние трансформаторы гудят поменьше. Основное достоинство – простота и относительная безопасность таких блоков. Они содержат минимум деталей, но при этом обладают неплохими характеристиками. Основной минус – КПД и габариты. Чем больше мощность блока питания – тем он тяжелее. Часть энергии расходуется на «гудение» и нагрев Кроме того, в самом трансформаторе теряется часть энергии. Другими словами – просто, надежно, но имеет большой вес и много потребляет – КПД на уровне 50-70%. Имеет важный неотъемлемый плюс – гальваническую развязку от сети. Это означает, что если произойдет неисправность или вы случайно залезете рукой во вторичную цепь питания – током вас не стукнет Еще один несомненный плюс – блок питания может быть включен в сеть без нагрузки – это ему не повредит. Но давайте посмотрим, что будет, если перегрузить такой блок питания. Имеется : трансформаторный блок питания с выходным напряжением 12 вольт и мощностью 10 ватт. Подключим к нему лампочку 12 вольт 5 ватт. Лампочка будет светиться на все свои 5 ватт и потреблять тока 5 / 12 = 0,42 А .

Подключим вторую лампочку последовательно к первой, вот так :

Обе лампочки будут светиться, но очень тускло. При последовательном соединении ток в цепи останется тем же – 0,42 А, а вот напряжение распределится между двумя лампочками, то есть каждая получит по 6 вольт. Понятно, что светиться они будут еле-еле. Да и потреблять при этом будут каждая примерно по 2,5 Вт. Теперь изменим условия – подключим лампочки параллельно :

Импульсный блок питания

Самый простой и яркий представитель – китайский блок питания для галогеновых ламп 12 В. Содержит небольшое количество деталей, легкий, маленький. Размеры 150 Вт блока – 100х50х50 мм, вес грамм 100. Такой же трансформаторный блок питания весил бы килограмма три, а то и больше. В блоке питания для галогенных ламп тоже есть трансформатор, но он маленький, потому что работает на повышенной частоте. Надо отметить, что КПД такого блока тоже не на высоте – порядка 70-80%, при этом он выдает приличные помехи в электрическую сеть. Есть еще множество блоков, основанных на аналогичном принципе – для ноутбуков, принтеров и т.п. Итак, основное достоинство – небольшие габариты и малый вес. Гальваническая развязка также присутствует. Недостаток – тот же, что и у его трансформаторного собрата. Может сгореть от перегрузки Так что если вы решили сделать у себя дома освещение на 12 В галогенных лампах – подсчитайте допустимую нагрузку на каждый трансформатор. Желательно создавать от 20 до 30% запаса. То есть если у вас трансформатор на 150 Вт – лучше не вешайте на него больше, чем 100 Вт нагрузки. И внимательно следите за равшанами, если они делают у вас ремонт. Расчет мощности им доверять не стоит. Также стоит отметить, что импульсные блоки не любят включения без нагрузки. Именно поэтому не рекомендуется оставлять зарядные устройства для сотовых в розетке по окончании зарядки. Впрочем, это все делают, поэтому большинство нынешних импульсных блоков содержат защиту от включения без нагрузки.

Эти два простых представителя семейства блоков питания выполняют общую задачу – обеспечение нужного уровня напряжения для питания устройств, которые к ним подключены. Как уже было сказано выше – устройства сами решают – сколько тока им нужно.

Драйвер

В общем случае драйвер – это источник тока для светодиодов. Для него обычно не бывает параметра «выходное напряжение». Только выходной ток и мощность. Впрочем, вы уже знаете, как можно определить допустимое выходное напряжение – делим мощность в ваттах на ток в амперах. На практике это означает следующее. Допустим , параметры драйвера следующие : ток – 300 миллиампер, мощность – 3 ватта. Делим 3 на 0,3 – получаем 10 вольт. Это максимальное выходное напряжение , которое может обеспечить драйвер. Предположим, что у нас есть три светодиода, каждый из них рассчитан на 300 мА, а напряжение на диоде при этом должно быть около 3 вольт. Если мы подключим один диод к нашему драйверу, то напряжение на его выходе будет 3 вольта, а ток 300 мА. Подключим второй диод последовательно (см. пример с лампами выше) с первым – на выходе будет 6 вольт 300 мА, подключим третий – 9 вольт 300 мА. Если же мы подключим светодиоды параллельно – то эти 300 мА распределятся между ними примерно поровну, то есть примерно по 100 мА. Если мы подключим к драйверу на 300 мА трехваттные светодиоды с рабочим током 700 мА – они будут получать только 300 мА. Надеюсь, принцип понятен. Исправный драйвер ни при каких условиях не выдаст больше тока, чем он рассчитан – как бы вы не подключали диоды. Надо отметить, что есть драйвера, которые рассчитаны на любое количество светодиодов, лишь бы их общая мощность не превышала мощность драйвера, а есть те, которые рассчитаны на определенное количество – 6 диодов, например. Некоторый разброс в меньшую сторону они, впрочем, допускают – можно подключить пять диодов или даже четыре. КПД универсальных драйверов хуже чем у их собратьев, рассчитанных на фиксированное количество диодов в силу некоторых особенностей работы импульсных схем. Также драйвера с фиксированным количеством диодов обычно содержат защиту от нештатных ситуаций. Если драйвер рассчитан на 5 диодов, а вы подключили три – вполне возможно , что защита сработает и диоды либо не включатся либо будут мигать , сигнализируя об аварийном режиме. Надо отметить, что большинство драйверов плохо переносят подключение к питающему напряжению без нагрузки – этим они сильно отличаются от обычного источника напряжения.

Итак , разницу между блоком питания и драйвером мы определили. Теперь рассмотрим основные типы драйверов для светодиодов, начиная с самых простых.

Применение

Драйверы применяются как при питании светодиода от сети 220В, так и от источников постоянного напряжения 9-36 В. Первые используются при освещении помещений светодиодными лампами и лентами, вторые чаще встречаются в автомобилях, велосипедных фарах, переносных фонарях и т.д.

Принцип работы блока питания

Разберемся, в чем же состоят различия между источником напряжения и блоком питания. В качестве примера рассмотрим схему, изображенную ниже.

Подключив к источнику питания 12 В резистор на 40 Ом, через него будет проходить ток в 300 мА (рисунок А). При параллельном включении в цепь второго резистора значение тока составит – 600 мА (Б). Однако напряжение будет неизменным.


Несмотря на подключение двух резисторов к источнику питания, второй на выходе будет создавать неизменное напряжение, т. к. при идеальных условиях не подчиняется нагрузке

Теперь рассмотрим, как изменятся значения, если в схеме будут подключены резисторы к блоку питания. Аналогичным образом вводим реостат 40 Ом с драйвером 300 мА. Последний создает на нем напряжение в 12 В (схема В).

Если же цепь составлена из двух резисторов, то величина тока неизменна, а напряжение составит 6 В (Г).


Драйвер в отличие от источника напряжения поддерживает на выходе заданные параметры тока, однако мощность напряжения может меняться

Делая выводы, можно сказать, что качественный преобразователь поставляет нагрузке номинальный ток даже при падении напряжения. Соответственно, кристаллы диодов на 2 В или на 3 В и током на 300 мА будут гореть одинаково ярко со сниженным напряжением.

Диммируемые драйверы для светодиодов

Современные драйверы для светодиодов совместимы с устройствами регулирования яркости свечения полупроводниковых приборов. Использование диммируемых драйверов позволяет управлять уровнем освещенности в помещениях: снижать интенсивность свечения в дневное время, подчеркивать или скрывать отдельные элементы в интерьере, зонировать пространство. Это, в свою очередь, дает возможность не только рационально использовать электроэнергию, но и экономить ресурс светодиодного источника света.

Диммируемые драйверы бывают двух типов. Одни подсоединяются между блоком питания и LED-источниками. Такие устройства управляют энергией, поступающей от источника питания к светодиодам. В основе таких устройств используется ШИМ-управление, при котором энергия поступает к нагрузке в виде импульсов. Длительность импульсов определяет количество энергии от минимального до максимального значения. Драйверы такого типа применяются по большей части для светодиодных модулей с фиксированным напряжением, таких как светодиодные ленты, бегущие строки и др.

Управление драйвером осуществляется с помощью диммера или ШИМ

Диммируемые преобразователи второго типа управляют непосредственно источником питания. Принцип их работы заключается как в ШИМ-регулировании, так и в управлении величиной протекающего через светодиоды тока. Диммируемые драйверы этого типа используются для LED-приборов со стабилизированным током. Стоит отметить, что при управлении светодиодами посредством ШИМ-регулирования наблюдаются негативно влияющие на зрение эффекты.

Сравнивая эти два метода регулирования, стоит отметить, что при регулировании величины тока через LED-источники наблюдается не только изменение яркости свечения, но и изменение цвета свечения. Так, белые светодиоды при меньшем токе излучают желтоватый свет, а при увеличении – светятся синим. При управлении светодиодами посредством ШИМ-регулирования наблюдаются негативно влияющие на зрение эффекты и высокий уровень электромагнитных помех. В связи с этим ШИМ-управление используется достаточно редко в отличие от регулирования тока.

Отличительные характеристики

В работе драйвера, подключаемого в схему
светодиодных светильников, первоочередное место занимают три параметра:

  1. Мощность.
  2. Ток
    номинальный.
  3. Напряжение
    выходное.

Значение мощности на модуле всегда указывается в
диапазоне значений. При подборе его для конкретной системы освещения его
максимальное значение должно быть выше на 20-30% суммарного аналогичного
показателя для всех лед-элементов. Номинальный ток драйвера должен быть таким
же, как и у светильника. От этого будет напрямую зависеть яркость свечения led-кристаллов.
Выходное напряжение равняется сумме падения этого параметра для каждой
конкретной светодиодной лампочки в цепи и зависит от способа их подключения.

Помимо этого, существует ряд факторов, оказывающих
прямое влияние на работу драйвера для схемы светодиодных светильников с любыми
параметрами. Это такие аспекты, как:

  1. Наивысшее и наименьшее значение характеристик на входе и выходе.
  2. Уровень защиты от пыли и влаги.
  3. Материалы и компоненты в составе.
  4. Фирма-изготовитель.

Расчет драйверов для светодиодов

Чтобы определить напряжение на выходе светодиодного драйвера, необходимо рассчитать отношение мощности (Вт) к значению тока (А). К примеру, драйвер имеет следующие характеристики: мощность 3 Вт и ток 0,3 А. Расчетное отношение составляет 10В. Таким образом, это будет максимальная величина выходного напряжения данного преобразователя.

Если необходимо подключить 3 LED-источника, ток каждого из которых составляет 0,3 мА при напряжении питания 3В. Подключая к светодиодному драйверу один из приборов, то выходное напряжение будет равно 3В и ток 0,3 А. Собрав последовательно два LED-источника, выходное напряжение будет равно 6В и ток 0,3 А. Добавив в последовательную цепочку третий светодиод, получим 9В и 0,3 А. При параллельном соединении 0,3 А одинаково распределятся между светодиодами по 0,1 А. Подключая светодиоды к устройству на 0,3 А при значении тока 0,7, им достанется всего 0,3 А.

В некоторых драйверах предусмотрена защита от аварийных ситуаций

Таков алгоритм функционирования светодиодных драйверов. Они выдают такое количество тока, на которое они рассчитаны. Способ подключения LED-приборов в этом случае не играет роли. Есть модели драйверов, предполагающие любое количество подключаемых к ним светодиодов. Но тогда существует ограничение по мощности LED-источников: она не должна превышать мощность самого драйвера. Выпускаются драйверы, рассчитанные на определенное число подключаемых светодиодов К ним разрешается подключить меньшее количество светодиодов. Но такие драйверы имеют низкую эффективность, в отличие от устройств, рассчитанных на конкретное количество LED-приборов.

Следует отметить, что у драйверов, рассчитанных на фиксированное количество излучающих диодов, предусмотрена защита от аварийных ситуаций. Такие преобразователи некорректно работают, если к ним подключить меньшее число светодиодов: они будут мерцать или вообще не будут светиться. Таким образом, если подключить к драйверу напряжение без соответствующей нагрузки, он будет работать нестабильно.

Как подобрать драйвер для светодиодов

Разобравшись с принципом работы led driver, осталось научиться их правильно выбирать. Если ты не забыл основ электротехники, полученных в школе, то дело это нехитрое. Перечислим основные характеристики преобразователя для светодиодов, которые будут участвовать в выборе:

  • входное напряжение;
  • выходное напряжение;
  • выходной ток;
  • выходная мощность;
  • степень защиты от окружающей среды.

Прежде всего, необходимо решить, от какого источника будет питаться твой светодиодный светильник. Это может быть сеть 220 В, бортовая сеть автомобиля или любой другой источник как переменного, так и постоянного тока. Первое требование: то напряжение, которое ты будешь использовать, должно укладываться в диапазон, указанный в паспорте на драйвер в графе «входное напряжение». Кроме величины, нужно учесть и род тока: постоянный или переменный. Ведь в розетке, к примеру, ток переменный, а в автомобиле – постоянный. Первый принято обозначать аббревиатурой АС, второй DC. Почти всегда эту информацию можно увидеть и на корпусе самого прибора.

Далее переходим к выходным параметрам. Предположим, у тебя есть три светодиода на рабочее напряжение 3.3 В и ток 300 мА каждый (указано в сопроводительной документации). Ты решил сделать настольную лампу, схема соединения диодов последовательная. Складываем рабочие напряжения всех полупроводников, получаем падение напряжения на всей цепочке: 3.3 * 3 = 9.9 В. Ток при таком соединении остается тем же – 300 мА. Значит, тебе нужен драйвер с выходным напряжением 9.9 В, обеспечивающий стабилизацию тока на уровне 300 мА.

Конечно, именно на это напряжение прибор найти не удастся, но это и не нужно. Все драйверы рассчитаны не на конкретное напряжение, а на некоторый диапазон. Твоя задача – уложить свое значение в этот диапазон. А вот выходной ток должен точно соответствовать 300 мА. В крайнем случае он может быть несколько меньше (лампа будет светить не так ярко), но никогда не больше. Иначе твоя самоделка сгорит сразу либо через месяц.

Идем дальше. Выясняем, какой мощности драйвер нам нужен. Этот параметр должен как минимум совпадать с потребляемой мощностью нашей будущей лампы, а лучше превышать это значение на 10-20%. Как рассчитать мощность нашей «гирлянды» из трех светодиодов? Вспоминаем: электрическая мощность нагрузки – это ток, идущий через нее, умноженный на приложенное напряжение. Берем калькулятор и перемножаем общее рабочее напряжение всех светодиодов на ток, предварительно переведя последний в амперы: 9.9 * 0.3 = 2.97 Вт.

Последний штрих. Конструктивное исполнение. Прибор может быть как в корпусе, так и без него. Первый, естественно, боится пыли и влаги, и в плане электробезопасности он не лучший вариант. Если ты решил встроить драйвер в лампу, корпус которой является хорошей защитой от окружающей среды, тогда подойдет. Но если корпус лампы имеет кучу вентиляционных отверстий (светодиоды должны охлаждаться), а само устройство будет стоять в гараже, то лучше выбрать источник питания в собственном корпусе.

Итак, нам нужен светодиодный драйвер со следующими характеристиками:

  • питающее напряжение – сеть 220 В переменного тока;
  • выходное напряжение – 9.9 В;
  • выходной ток – 300 мА;
  • выходная мощность – не менее 3 Вт;
  • корпус – пылевлагозащитный.

Отправляемся в магазин и смотрим. Вот он:

Причем не просто подходящий, а идеально соответствующий запросам. Слегка пониженный выходной ток продлит жизнь светодиодов, но на яркости их свечения это абсолютно никак не отразится. Потребляемая мощность упадет до 2.7 Вт – будет запас мощности драйвера.

Технические характеристики

Необходимость покупки драйвера возникает, если был найден интересный светильник без преобразователя тока. Другой вариант — создание источника света с нуля путем приобретения каждого элемента отдельно.

Перед покупкой преобразователя тока изучите три главные характеристики:

  • выходной ампераж;
  • рабочая мощность;
  • выходной вольтаж.

Выходное напряжение рассчитывается исходя из схемы подключения к питанию и числа светодиодов. Значение тока оказывает воздействие на мощность и уровень свечения. Выходного тока драйвера для led-диодов должно быть достаточно для постоянного и яркого свечения.

Мощность изделия должна быть выше суммарного значения всех светодиодов. Для расчета используется формула P = P (led) × X, где

  • P (led) — мощность диода;
  • X — число диодов.

Для гарантии продолжительной эксплуатации драйвера нужно ориентироваться на запас мощности — покупайте преобразователи номинальной мощностью на 20 – 30 % выше требуемого значения. Не забывайте о цветовом факторе, непосредственно связанном с падением напряжения. Последняя величина изменяется в зависимости от разных цветов.

Подключение LED по простой схеме с резистором и диодом — вариант 2

Другая простая схема показывает, как подключить светодиоды к 220 В переменного напряжения не намного сложнее и ее также можно отнести к простым схемам.

Рассмотрим принцип работы. При положительной полуволне ток идет сквозь резисторы 1 и 2, а также сам светодиод. В данном случае стоит помнить, что падение напряжения на светодиоде будет обратным для обычного диода — VD1. Как только в схему «попадает» отрицательная полуволна 220 В, ток пойдет через обычный диод и резисторы. В этом случае уже прямое падение напряжение на VD1 будет обратным по отношению к светодиоду. Все просто.

При положительной полуволне сетевого напряжения ток протекает через резисторы R1, R2 и светодиод HL1 (при этом прямое падение напряжения на светодиоде HL1 является обратным напряжением для диода VD1). При отрицательной полуволне сетевого напряжения ток протекает через диод VD1 и резисторы R1, R2 (при этом прямое падение напряжения на диоде VD1 является обратным напряжением для светодиода HL1).

Расчетная часть схемы

Номинальное напряжение сети:

UС.НОМ = 220 В

Принимается минимальное и максимальное напряжение сети (опытные данные):

UС.МИН = 170 В
UС.МАКС = 250 В

Принимается к установке светодиод HL1, имеющий максимально допустимый ток:

IHL1.ДОП = 20 мА

Максимальный расчетный амплитудный ток светодиода HL1:

IHL1.АМПЛ.МАКС = 0,7*IHL1.ДОП = 0,7*20 = 14 мА

Падение напряжения на светодиоде HL1 (опытные данные):

UHL1 = 2 В

Минимальное и максимальное действующее напряжение на резисторах R1, R2:

UR.ДЕЙСТВ.МИН = UС.МИН = 170 В
UR.ДЕЙСТВ.МАКС = UС.МАКС = 250 В

Расчетное эквивалентное сопротивление резисторов R1, R2:

RЭКВ.РАСЧ = UR.АМПЛ.МАКС/IHL1.АМПЛ.МАКС = 350/14 = 25 кОм

Максимальная суммарная мощность резисторов R1, R2:

PR.МАКС = UR.ДЕЙСТВ.МАКС2/RЭКВ.РАСЧ = 2502/25 = 2500 мВт = 2,5 Вт

Расчетная суммарная мощность резисторов R1, R2:

PR.РАСЧ = PR.МАКС/0,7 = 2,5/0,7 = 3,6 Вт

Принимается параллельное соединение двух резисторов типа МЛТ-2, имеющих суммарную максимально допустимую мощность:

PR.ДОП = 2·2 = 4 Вт

Расчетное сопротивление каждого резистора:

RРАСЧ = 2*RЭКВ.РАСЧ = 2*25 = 50 кОм

Принимается ближайшее большее стандартное сопротивление каждого резистора:

R1 = R2 = 51 кОм

Эквивалентное сопротивление резисторов R1, R2:

RЭКВ = R1/2 = 51/2 = 26 кОм

Максимальная суммарная мощность резисторов R1, R2:

PR.МАКС = UR.ДЕЙСТВ.МАКС2/RЭКВ = 2502/26 = 2400 мВт = 2,4 Вт

Минимальный и максимальный амплитудный ток светодиода HL1 и диода VD1:

IHL1.АМПЛ.МИН = IVD1.АМПЛ.МИН = UR.АМПЛ.МИН/RЭКВ = 240/26 = 9,2 мА
IHL1.АМПЛ.МАКС = IVD1.АМПЛ.МАКС = UR.АМПЛ.МАКС/RЭКВ = 350/26 = 13 мА

Минимальный и максимальный средний ток светодиода HL1 и диода VD1:

IHL1.СР.МИН = IVD1.СР.МИН = IHL1.ДЕЙСТВ.МИНФ = 3,3/1,1 = 3,0 мА
IHL1.СР.МАКС = IVD1.СР.МАКС = IHL1.ДЕЙСТВ.МАКСФ = 4,8/1,1 = 4,4 мА

Обратное напряжение диода VD1:

UVD1.ОБР = UHL1.ПР = 2 В

Расчетные параметры диода VD1:

UVD1.РАСЧ = UVD1.ОБР/0,7 = 2/0,7 = 2,9 В
IVD1.РАСЧ = UVD1.АМПЛ.МАКС/0,7 = 13/0,7 = 19 мА

Принимается диод VD1 типа Д9В, имеющий следующие основные параметры:

UVD1.ДОП = 30 В
IVD1.ДОП = 20 мА
I0.МАКС = 250 мкА

Минусы использования схемы подключения светодиодов к 220 В по варианту 2

Главные недостатки подключения светодиодов по этой схеме — малая яркость светодиодов, за счет малого тока. IHL1.СР = (3,0-4,4) мА и большая мощность на резисторах: R1, R2: PR.МАКС = 2,4 Вт.

Что и где паять?

Любая светодиодная лента состоит из групп, включенных параллельно между собой светоизлучающих диодов. Разрезается лента строго в определенных местах между этими группами. Как правило, места возможных разрезов обозначаются пунктиром или значком ножниц.

Определившись с длиной отрезка, с одной из его сторон выбирают контактные площадки, к которым будут припаивать провода. Контакты в виде печатных проводников расположены с обеих сторон от линии разреза, имеют круглую форму и надпись: в одноцветных изделиях – «+» и «-», в многоцветных – «R», «G», «B», «–». Перед началом пайки контакты необходимо слегка зачистить до появления блеска.

Виды светодиодных драйверов

Все драйверы для светодиодов можно разделить по принципу стабилизации тока. На сегодняшний день таких принципов два:

  1. Линейный.
  2. Импульсный.

Линейный стабилизатор

Предположим, в нашем распоряжении мощный светодиод, который нужно зажечь. Соберем простейшую схему:

Схема, поясняющая линейный принцип регулировки тока

Выставляем резистором R, выполняющим роль ограничителя, нужное значение тока – светодиод горит. Еcли напряжение питания изменилось (к примеру, батарея садится), поворачиваем движок резистора и восстанавливаем необходимый ток. Если увеличилось, то таким же образом ток уменьшаем. Именно это и делает простейший линейный стабилизатор: следит за током через светодиод и при необходимости «крутит ручку» резистора. Только делает он это очень быстро, успевая реагировать на малейшее отклонение тока от заданной величины. Конечно, никакой ручки у драйвера нет, ее роль выполняет транзистор, но суть пояснения от этого не меняется.

В чем недостаток линейной схемы стабилизатора тока? Дело в том, что через регулирующий элемент тоже течет ток и бесполезно рассеивает мощность, которая просто греет воздух. Причем чем входное напряжение больше, тем выше потери. Для светодиодов с небольшим рабочим током такая схема годится и успешно используется, но мощные полупроводники линейным драйвером питать себе дороже: драйверы могут съедать больше энергии, чем сам осветитель.

К преимуществам такой схемы питания можно отнести относительную простоту схемотехники и невысокую стоимость драйвера, сочетающуюся с высокой надежностью.

Линейный драйвер для питания светодиода в карманном фонаре

Импульсная стабилизация

Перед нами тот же светодиод, но схему питания соберем несколько иную:

Схема, поясняющая принцип работы широтно-импульсного стабилизатора

Теперь вместо резистора у нас кнопка КН и добавлен накопительный конденсатор С. Подаем напряжение на схему и нажимаем кнопку. Конденсатор начинает заряжаться, и при достижении на нем рабочего напряжения светодиод загорается. Если продолжать держать кнопку нажатой, то ток превысит допустимую величину, и полупроводник сгорит. Отпускаем кнопку. Конденсатор продолжает питать светодиод и постепенно разряжается. Как только ток опустится ниже допустимого для светодиода значения, снова нажимаем кнопку, подпитывая конденсатор.

Вот так сидим и периодически жмем кнопку, поддерживая нормальный режим работы светодиода. Чем выше питающее напряжение, тем нажатия будут короче. Чем напряжение ниже, тем кнопку придется держать нажатой дольше. Это и есть принцип широтно-импульсной модуляции. Драйвер следит за током через светодиод и управляет ключом, собранным на транзисторе или тиристоре. Делает он это очень быстро (десятки и даже сотни тысяч нажатий в секунду).

С первого взгляда работа утомительная и сложная, но только не для электронной схемы. Зато КПД импульсного стабилизатора может достигать 95%. Даже при питании сверхмощных светодиодных прожекторов потери энергии минимальны, а ключевые элементы драйвера не требуют мощных теплоотводов. Конечно, импульсные стабилизаторы несколько сложнее по конструкции и дороже, но все это окупается высокой производительностью, исключительным качеством стабилизации тока и отличными массогабаритными показателями.

Этот импульсный драйвер способен выдать ток до 3 А безо всяких радиаторов 

AL9910

Diodes Incorporated создала одну весьма интересную микросхему драйвера светодиодов: AL9910. Любопытна она тем, что ее рабочий диапазон напряжений позволяет подключать ее прямо к сети 220В (через простой диодный выпрямитель).

Вот ее основные характеристики:

  • входное напряжение — до 500В (до 277В для переменки);
  • встроенный стабилизатор напряжения для питания микросхемы, не требующий гасящего резистора;
  • возможность регулировки яркости путем изменения потенциала на управляющей ноге от 0.045 до 0.25В;
  • встроенная защита от перегрева (срабатывает при 150°С);
  • рабочая частота (25-300 кГц) задается внешним резистором;
  • для работы необходим внешний полевой транзистор;
  • выпускается в восьминогих корпусах SO-8 и SO-8EP.

Драйвер, собранный на микросхеме AL9910 не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому должен использоваться только там, где невозможно прямое прикосновение к элементам схемы.

Микросхема выпускается в двух модификациях: AL9910 и AL9910a. Отличаются минимальным напряжением запуска (15 и 20В соответственно) и выходным напряжением внутреннего стабилизатора ((7.5 или 10В соответственно). Еще у AL9910a немного выше потребление в спящем режиме.

Стоимость микросхем — около 60 руб/шт.

Типовая схема включения (без диммирования) выглядит так:

Здесь светодиоды всегда горят на полную мощность, которая задается значением резистора Rsense:

Rsense = 0.25 / (ILED + 0.15⋅ILED)

Для регулировки яркости 7-ую ногу отрывают от Vdd и вешают на потенциометр, выдающий от 45 до 250 мВ. Также яркость можно регулировать, подавая ШИМ-сигнал на вывод PWM_D. Если этот вывод посадить на землю, микросхема отключается, выходной транзистор полностью закрывается, потребляемый схемой ток падает до ~0.5мА.

Частота генерации должна лежать в диапазоне от 25 до 300 кГц и, как уже было сказано ранее, она определяется резистором Rosc. Зависимость можно выразить следующим уравнением:

fosc = 25 / (Rosc + 22), где Rosc — сопротивление в килоомах (обычно от 75 до 1000 кОм).

Резистор включается между 8-ой ногой микросхемы и «землей» (или выводом GATE).

Индуктивность дросселя рассчитывается по страшной на первый взгляд формуле:

L ≥ (VIN — VLEDs)⋅VLEDs / (0.3⋅VIN⋅fosc⋅ILED)

Пример расчета

Для примера давайте рассчитаем параметры элементов обвязки микросхемы для двух последовательно включенных светодиода Cree XML-T6 и минимального напряжения питания (15 вольт).

Итак, допустим, мы хотим, чтобы микросхема работала на частоте 240 кГц (0.24 МГц). Значение резистора Rosc должно быть:

Rosc = 25/fosc — 22 = 25/0.24 — 22 = 82 кОм

Идем дальше. Номинальный ток светодиодов — 3А, рабочее напряжение — 3.3В. Следовательно, на двух последовательно включенных светодиодах упадет 6.6В. Имея эти исходные данные, можем рассчитать индуктивность:

L ≥ (VIN — VLEDs)⋅VLEDs / (0.3⋅VIN⋅fosc⋅ILED) = (15-6.6)⋅6.6 / (0.3⋅15⋅240000⋅3) = 17 мкГн

Т.е. больше или равно 17 мкГн. Возьмем распространенную фабричную индуктивность на 47 мкГн.

Осталось рассчитать Rsense:

Rsense = 0.25 / (ILED + 0.15⋅ILED) = 0.25 / (3 + 0.15⋅3) = 0.072 Ом

В качестве мощного выходного MOSFET’а возьмем какой-нибудь подходящий по характеристикам, например, всем известный N-канальник 50N06 (60В, 50А, 120Вт).

И вот, собственно, какая схема у нас получилась:

Не смотря на указанный в даташите минимум в 15 вольт, схема прекрасно запускается и от 12, так что ее можно использовать в качестве мощного автомобильного прожектора. На самом деле, приведенная схема — это реальная схема драйвера светодиодного прожектора 20 ватт YF-053CREE, которая была получена методом реверс-инжиниринга.

Рассмотренные нами микросхемы драйверов светодиодов PT4115, CL6808, CL6807, SN3350, AL9910, QX5241 и ZXLD1350 позволяют быстро собрать драйвер для мощных светодиодов своими руками и широко применяются в современных LED-светильниках и лампах.

В статье были использованы следующие радиодетали:

Светодиоды
Cree XM-L T6 (10Вт, 3А)135 руб/шт.
Cree XM-L2 T6 (10Вт, 3А, медь)360 руб/шт.
Транзисторы
40N0611 руб/шт.
IRF741314 руб/шт.
IPD090N03L14 руб/шт.
IRF720117 руб/шт.
50N0612 руб/шт.
Диоды Шоттки
STPS2H100A (2А, 100В)15 руб/шт.
SS34 (3А, 40В)90 коп/шт.
SS56 (5А, 60В)3.5 руб/шт.
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации