Источники тока для светодиодов – : ,

Содержание

Немного об основах схемотехники светодиодных ламп / Habr

Судя по комментариям, многих людей интересуют не только параметры светодиодных ламп, но и теория их внутреннего устройства. Потому я решил немного поговорить об основах схемотехнических решений, чаще всего применяемых в этой области.

Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д.

Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока.

К слову, о белых светодиодахПонятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое — это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик:


Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее тут.

Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется. Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер. Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов. Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции. При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» — код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.


ВАХ белого светодиода.

Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» — микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» — решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512, определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.

Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом.

Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току.

Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже.

Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.

1. Конденсаторный балласт

Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так:

Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод.

Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше).

Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.

Считая по формуле из учебника, легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.

Лирическое отступление«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее — сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву «μ» с оторванным хвостиком.

Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF, и никак иначе!

Кроме того, «Фарад» — мужского рода, так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!

Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.

2. Бестрансформаторная понижающая топология

Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии. Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC, преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов. В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).

Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже.

В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).

Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания. Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле. В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума,

схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется. Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.

Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц).

На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье.

Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.

3. Обратноходовый преобразователь

Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временные параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.

Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.

Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности.

Лирическое отступлениеОбратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.

Немного о пульсациях

Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц). Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.

Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор. Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы. Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра. Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить).

Пожалуй это все, что в первом приближении можно сказать на тему электроники светодиодных ламп. Надеюсь, что этой статьей я в какой-то мере ответил на все вопросы схемотехнического толка, которые были заданы мне в комментариях и личных сообщениях.

habr.com

Источник тока для мощных светодиодов с питанием от сети 220 В 50 Гц

Импульсный блок питания светодиодов представляет собой выпрямитель с фильтром и понижающий преобразователь с обратной связью по току. Для построения источников тока для мощных светодиодов часто используются микросхемы ШИМ-контроллеры Supertex HV9910B, HV9961. Стандартные схемы включения этих микросхем мало отличаются, при некоторых условиях они взаимозаменяемы. HV9961 более дорогая, т.к. обеспечивает контроль среднего тока светодиодов, а не пикового. Есть другие отличия, о которых можно прочесть на сайте производителя, документ AN-H64. Я взял HV9961, говорят, она более живуча.
Расчет, изготовление и тестирование источника на микросхеме HV9961 под катом.

Мне нужен был блок, питающий током 750 мА 10 СИДов Cree XM-L. Оценим выходное напряжение блока: Vout = 10 * Vled при 750 мА = 29 В. Пусть пульсации тока будут меньше +-15% (я не знаю, как их величина влияет на работу светодиодов). Имелся корпус G1022BF, что накладывает ограничения на размер платы блока питания. Таким образом, исходные данные:
напряжение питания: 220 В, 50 Гц;
выходное напряжение: 30 В;
выходной ток: 750 мА;
пульсации тока: менее +-15%;
размер платы: менее 100х60 мм.

За основу берем стандартную схему включения:

Это понижающий преобразователь, для простоты ток измеряется в цепи истока переключающего транзистора и усредняется. На контакт Vin можно подавать высокое напряжение, которое питает встроенный регулятор напряжения 7,5 В, вывод регулятора – Vdd. PWMD и LD служат для плавной регулировки тока светодиодов. Резистор Rt задает частоту переключения (точнее, время паузы), Rcs – ток на СИДах. При питании от сети 220 нужно добавить выпрямитель и фильтр.

Расчет схемы

1. Частота переключения. Частота переключения в схеме не фиксированная, задается только время паузы. Для номинальных напряжений на входе (310 В после выпрямителя) и выходе коэффициент заполнения . С другой стороны, , где tu – время проводимости, tn – время паузы, f – частота переключения. Сопротивление резистора Rt определяется из выражения . Возьмем Rt = 330 кОм, это соответствует времени паузы 13,5 мкс и номинальной частоте 73 кГц. Чем выше частота, тем меньшего размера будет катушка и тем больше потери на переключение на транзисторе.

2. Регулировка тока. Токозадающий резистор. Rcs = 0.272 В / Iled = 0,363 Ом. Я решил взять Rcs = 0,33 Ом, т.е. 3 резистора по 1 Ом в параллель, что соответствует току 824 мА и сделать плавную регулировку тока с помощью вывода LD микросхемы. В описании сказано, что регулировка тока осуществляется, когда на выводе LD напряжение от 0 до 1,5 В. Подключаем делитель напряжения к напряжению 7,5 В. Необходимые сопротивления несложно посчитать, результат показан на окончательной схеме.
Можно проверить, сколько мощности выделяется на токозадающих резисторах: 824 Ма*272 мВ = 224 мВт, на каждом резисторе 75 мВт. Используем типоразмер 0805 (125 мВт).

3. Катушка индуктивности. Для пульсаций тока менее +-15% (полный размах 0,3*750 мА) индуктивность должна быть больше

Пиковый ток на катушке будет 750 мА +15% = 863 мА. Готовые катушки с такими параметрами найти непросто, поэтому придется изготавливать самостоятельно.
Имелся эмальпровод с внешним диаметром 0,7 мм, исходя из этого, по прикидочным расчетам был подобран сердечник КВ10 (аналог RM10), феррит М2500НМС1 (аналог N27).
Кратко опишу расчет дросселя. Чтобы сердечник не насыщался, необходимо ввести зазор. В начале наматываем максимальное число витков, которые влезают в окно сердечника. У меня получилось 6 слоев по 15 витков с запасом для компаунда, всего 90 витков. Далее вводим максимальный зазор для необходимой индуктивности. Можно считать вручную, я считал в программе EPCOS MDT для RM10 N27. Получаем для суммарного зазора 0,6 мм (прокладки между сердечниками по 0,3 мм) значение Al = 200 нГн и L= Al * N^2 = 1,62 мГн. Индуктивность получилась немного меньше, значит пульсации побольше +-15%, что меня устроило.
Теперь надо посчитать индукцию при максимальном токе и убедиться, что сердечник не насыщается. По формуле 8 из [2] и данным из программы (Al = 200 нГн, mui = 71) для тока 1 А (с запасом) получаем индукцию 183 мТл, что меньше 300 мТл и, значит, насыщения нет.
В итоге изготавливаем дроссель на сердечнике КВ10 М2500НМС1 с прокладками 0,3 мм с 90 витками эмальпроводом с внешним диаметром 0,7 мм. Желательно залить клеем или лаком после изготовления.

4. Транзистор. Транзистор должен с запасом выдерживать максимальное входное напряжение 310 В. Выберем транзистор с максимальным напряжением сток-исток 500 В. Максимальный среднеквадратичный ток через транзистор Iout*sqrt(Vout/Vin) = 240 мА. Ток небольшой, его выдержит любой мощный полевик. Главный параметр для выбора – емкость или заряд затвора. Производитель микросхемы рекомендует заряд менее 25 нКл. Я взял IRF830A с максимальным зарядом затвора 24 нКл. Мощность, выделяющуюся на полевике, посчитать непросто, но радиатор явно не помешает.

5. Диод. Для диода те же требования по напряжению, что и для транзистора. Средний ток через диод Iout*(1 – Vout/Vin) = 680 мА. Выбираем SF28 600 В, 2 А. Падение напряжения на нем 1,5 В, значит будет выделяться мощность 1,5 В* 0,68 А = 1 Вт. Я решил использовать диод без радиатора. Для диода еще важным считается параметр время обратного восстановления, от него зависят потери на переключение, но расчет их довольно сложный и я его не проводил.

6. Входной конденсатор. Емкость выбирается исходя из условия, что минимальное напряжение после входного фильтра должно быть больше 2*Vout. В AN-h58 есть формула для расчета:

Для частоты 50 Гц, Vdc = 60 В и КПД 90% получаем С1>6,5 мкФ. Был выбран конденсатор 47 мкФ, 400 В исходя из габаритов и доступности. Параллельно установлен пленочный 0,47 мкФ 450 В для уменьшения ESR.
Замечание от sanmigel:

если внимательно почитать документацию на 9910 то можно увидеть что условие Vout<0.5 Vin имеет значение для режима с постоянной частотой, в этом режиме при коэффициенте заполнения более 0,5 лезут гармоники, поэтому для их снижения рекомендуют его ограничить в 0,5. 9961 работает в режиме констант офф тайм, в таком режиме коэффициент заполнения для 9961 может быть до 0,75 (для 9910 до 0,8). Дока

Окончательная схема:

Схема в пдф
Кратко об остальных элементах схемы:
F1 – предохранитель 2 А, может быть, лучше поставить на меньший ток. С1 – фильтр от помех в сеть, подсмотрено в демоплате Supertex, можно не устанавливать. DB104S – диодный мост 400 В, 1 А. RT1 – NTC термистор, он ограничивает ток при включении источника, подробнее можно почитать здесь. Термистор устанавливать не обязательно. C4 – выходная емкость для уменьшения высокочастотных выбросов на нагрузке. D2 – стабилитрон на 75 В, улучшает тепловой режим микросхемы HV9961. Можно считать, что HV9961 потребляет 2 мА, тогда на стабилитроне выделяется мощность 150 мВт, на микросхеме 600 мВт. P3 – джампер для отключения источника, включенное положение – средний контакт замкнут на питание. С6 обеспечивает мягкий старт, ставить не обязательно. С5 – блокировочнй конденсатор, ставить обязательно, емкость около 0,1 – 2,2 мкФ.

Печатная плата

Трассировка играет важную роль в работе импульсных преобразователей, поэтому печать делалась на основе платы производителя.
Получилась двухсторонняя плата 95 х 55 мм, при желании можно верхнюю сторону сделать двумя перемычками.

Плата в пдф под ЛУТ
Проект Altium Designer
Входной и выходной разъемы с шагом 3,96 мм, джампер с шагом 2,54 мм, подстроечник типа 3296W. Предусмотрено место для радиатора транзистора. Используется держатель для предохранителей 5*20. Конденсатор С2 имеет размер 16*25 мм. Конденсатор C1 тип B32922-A2104-K, конденсаторы С3 и С4 – тип B43828A9476M000.

После сборки:


Плату можно использовать и для HV9910B, но надо будет пересчитать резисторы для плавной регулировки тока, чтобы напряжение на выводе LD было 0-250 мВ и токозадающие резисторы исходя из напряжения 250 мВ на них. Еще одно отличие – резисторами будет устанавливаться пиковый ток, а не средний.

Результаты тестирования.

Схема была подключена к сети 220, в качестве нагрузки были использованы 10 белых светодиодов Cree XR-E, ток был установлен на уровне 840 мА.
Ток (желт., 200 мА/дел) и напряжение (син., 100 В/дел) на входе:

Пиковый ток потребления около 400 мА.

Напряжение на истоке транзистора:


Напряжение на затворе:


Напряжение на стоке:


Ток (желт., 455 мА/дел) и напряжение (син., 10 В/дел) на выходе:

Средний ток около 850 мА, среднее напряжение около 36 В. В данном случае, в выходное напряжение входит также падение напряжения на резисторе 2,2 Ом, который включался для измерения тока.

Пульсации тока (желт., 45,5 мА/дел) и напряжения (син., 500 мВ/дел) на выходе:

Пульсации тока менее 140 мА, т.е. 16%.

Оценка КПД. У меня нет true RMS мультиметра, поэтому точность измерения входного тока под вопросом. Действующее значение входного тока 141 мА, входного напряжения 227 В, входная мощность 32 Вт. Средний выходной ток 840 мА, выходное напряжение 33,5 В, выходная мощность 28 Вт. Получается КПД 87,5%.

Температурный режим. При комнатной температуре 23 С радиатор транзистора разогревается до 67 С, остальные элементы схемы нагреваются меньше. Лучше поставить радиатор побольше.

Я постарался подробно описать процесс расчета схемы импульсного преобразователя, надеюсь, эта информация поможет читателю в его разработках.
Схемы других источников тока для светодиодов можно посмотреть в теме на форуме easyelectronics.ru.
Критикуйте и задавайте вопросы, пожалуйста! 🙂

Литература.
[1] Б. Ю. Семенов — Силовая электроника для любителей и профессионалов.
[2] А. Кузнецов – Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html
[3] А. Евстифеев — Практический опыт применения микросхемы Supertex HV9910 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2009_12_78.pdf

we.easyelectronics.ru

источник ТОКА (драйвер) для светодиодов

в мастерской/гараже у нас(у меня) освещение традиционное — светильники с двумя лампами дневного света по 36(40) ватт каждая. висят они на потолке, и после последней перестановки мебели света в данном конкретном месте (над рабочими столами) стало меньше чем хотелось бы. а с учетом того что я прикупил по случаю светодиодов — было решено потиху переходить на светодиодное освещение.

сразу оговорюсь, что светодиоды были куплены в оффлайне, а вот «звезды» к ним — тоже на DX. паяю я их банально — на утюге 😉 сделал трафарет из медной фольги, через него мажу пасту с припоем, положил диод, весь этот «бутерброд» — на утюг включенный на максимуме — и через пару секунд наблюдаем как флюс вкусно испарился, припой растёкся, а светодиод сел на место.

но вернёмся к товару. предыдущий светильник я делал по совершенно аналогичному принципу, но на бОльшее число диодов — 14, если не ошибаюсь. эксплуатация показала, что он вполне себе успешно обеспечивает «общее освещение» рабочего места, и в принципе имеет право на жизнь. к сожалению, я не нашел недорогих источников тока на число диодов больше 12 (там как-то сразу резко чуть не в два раза цена скачет), и решил попробовать с меньшей мощностью. тем более, что в данном случае освещение требуется именно что общее, ибо над столами в качестве местного используются те же диоды в количестве 9 штук на стол, но на меньшей мощности.

но я опять отвлекся.

БП представляет собой источник ТОКА, а не напряжения, то есть предназначен для питания именно светодиодов, соединенных последовательно. можно и параллельно-последовательно, или еще как — главное чтобы светодиодам был нужен обеспечиваемый данным БП ток — заявлено 670мА+-10% — и напряжение, точнее тут задается число диодов (9-12), вероятно предполагая стандартное падение в 3В на диод. исходя из этих данных предполагается мощность 2Вт на диод, что довольно щадящий режим (в моём случае, для макс. 3Вт диодов), что может быть и хорошо и плохо — в зависимости от того чего добиваемся.

упаковка — антистатический запаяный пакет, и видимо пупырка — распаковывал брательник, я у него не спросил — да и там в заказе было еще что-то, так что не суть — пришел целый, да и ладно. размеры примерно соответствуют заявленным (17.0 cm x 3.0 cm x 2.0 cm), но линейкой не обмерял, ибо не вижу в этом смысла. сверху алюминиевый корпус, снизу залит темносерым довольно мягким на ощупь компаундом. провода сантиметров 10-15. длиной, и не очень тонкие — в данном случае квадратура не имеет особого значения, ибо токи мизерные, плюч концы залужены, но так на вид примерно 0.75 квадрата.

ток, скажу забегая вперед, замерял. и он меня несколько разочаровал, хотя и вполне в пределах заявленного 670+-10%:

но я был бы рад, если б там было +10%, а не минус 5.

возможно, некоторые из вас читают и мой ЖЖ (угадайте какой ник 😉 ), где есть «постоянная рубрика» из «говна и палок». дык вот, собственно, светильник я собрал уже давно. сейчас оставалось только прикрутить к нему электронику и повесить на рабочее место.

коротенечко о конструкции светильника

берем купленные в моем случае в оффлайне светодиоды и вышеозначенные звездочки с DS и распаиваем это дело. далее берем алюминиевый уголок из строймага и нарезаем, скручиваем. причем я поперечные уголки взял большего размера, чтобы конструкция не переворачивалась. висеть оно будет на цепях, которые в свою очередь надеваются на крючки с резьбой а-ля шуруп, вкрученные в потолок, ну а светильник на цепь вешается посредством S-образного крючка. плюсы — стильно, модно, молодежно просто, доступно, дешево. и легко регулируется расстояние от потолка/до стола.

после скручивания «каркаса» приклеиваем распаянные светодиоды на звездах таким термоклеем, даем высокнуть, соединяем проводами. можно закрыть конструйню сверху матовым стеклом/пластиком. я пока не стал, потом посмотрим.

блок питания я закрепил на «компьютерных» стойках. это, думаю, обеспечит лучшие тепловые условия, а внешний вид меня в данном случае не заботит совершенно.

так как конструкция будет подключаться вместо старого светильника — хочется дополнительно облегчить себе жизнь дистанционным управлением, чтобы включать не отрывая жопы от стула и выключать с любого места мастерской и окрестностей. что и реализуем:

дистанционку я прилепил на самоклейку на БП — не заморачиваясь. ибо во-первых хотелось вынести ее из экранирующих уголков, а во-вторых, повторюсь, меня совершенно не заботит внешний вид сей конструкции.

итоги. блок питания несомненно работает, и питает заявленные 12 диодов заявленным током (ну, в пределах заявленной погрешности). судя по внешнему виду — ну я б не побоялся использовать его в сырых помещениях. сделан аккуратно, залит компаундом основательно.

светильник светит. правда, 12 светодиодов — это всего где-то 22.5Вт, что субъективно хуже чем 2*36 ЛДС. но я б не сказал что прям так сильно хуже — для общего освещения вполне годится. для полноценной же замены придется брать где-то наверно 16-18 2Вт диодов. ну или эти 12 раскочегаривать на 3Вт 😉

UPD: заявленное выходное напряжение: Output voltage: DC28-45V. не проверял.

mysku.ru

Питание светодиодов, блок питания для светодиодов

Постоянные читатели часто интересуются, как правильно сделать питание для светодиодов, чтобы срок службы был максимален. Особенно это актуально для led  неизвестного производства с плохими техническими характеристиками или завышенными.

По внешнему виду и параметрам  невозможно определить качество. Частенько приходится рассказывать как рассчитать блок питания для светодиодов, какой лучше купить или сделать своими руками. В основном рекомендую купить готовый, любая схема после сборки требует проверки и настройки.

Содержание

  • 1. Основные типы
  • 2. Как сделать расчёт
  • 3. Калькулятор для расчёта
  • 4. Подключение в автомобиле
  • 5. Напряжения питания светодиодов
  • 6. Подключение от 12В
  • 7. Подключение от 1,5В
  • 8. Как рассчитать драйвер
  • 9. Низковольтное от 9В до 50В
  • 10. Встроенный драйвер, хит 2016
  • 11. Характеристики

Основные типы

Светодиод – это полупроводниковый электронный элемент, с низким внутренним сопротивлением. Если подать на него стабилизированное напряжение, например 3V, через него пойдёт большой ток, например 4 Ампера, вместо требуемого 1А. Мощность на нём составит 12W, у него сгорят тонкие проводники, которыми подключен кристалл. Проводники отлично видно на цветных и RGB диодах, потому что на них нет жёлтого люминофора.

Если блок питания для светодиодов  12V со стабилизированным напряжением, то для ограничения тока последовательно устанавливают резистор. Недостатком такого подключения будет более высокое потребление энергии, резистор тоже потребляет некоторую энергию. Для светодиодных аккумуляторных фонарей на 1,5В применять такую схему нерационально. Количество вольт на батарейке быстро снижается, соответственно будет падать яркость.  И без повышения минимум до 3В диод не заработает.

Этих недостатков  лишены специализированные светодиодные драйвера на ШИМ контроллерах. При изменениях напряжения  ток остаётся постоянным.

Как сделать расчёт

Чтобы рассчитать блок питания для светодиодов необходимо учитывать 2 основных параметра:

  1. номинальная потребляемая мощность или желаемая;
  2. напряжение падения.

Суммарное энергопотреблением подключаемой электрической цепи не должно превышать  мощности блока.

Падения напряжения зависит от того, какой свет излучает лед чип. Я рекомендую покупать фирменные LED, типа Bridgelux, разброс параметров у них минимальный. Они гарантированно держат заявленные характеристики и имеют запас по ним. Если покупаете на китайском базаре, типа Aliexpress, то не надейтесь на чудо, в 90% вас обманут и пришлют барахло с параметрами в 2-5 раз хуже. Это многократно проверяли мои коллеги, которые заказывали недорогие LED 5730 иногда по 10 раз. Получали они SMD5730 на 0,1W, вместо 0,5W. Это определяли по вольтамперной-характеристике.

Пример различной яркости кристаллов

К тому же у дешевых разброс параметров очень большой. Что бы  это определить в домашних условиях своими руками, подключите их последовательно 5-10 штук. Регулирую количество вольт, добейтесь чтобы они слегка светились. Вы увидите, что часть светит ярче, часть едва заметно. Поэтому некоторые в номинальном рабочем режиме будут греться сильнее, другие меньше. Мощность будет на них разная, поэтому самые нагруженные выйдут из строя раньше остальных.

Калькулятор для расчёта

Для удобства читателей опубликовал онлайн калькулятор для расчёта резистора для светодиодов при подключении к стабильному напряжению.

Калькулятор учитывает 4 параметра:

  • количество вольт на выходе;
  • снижение напряжения на одном LED;
  • номинальный рабочий ток;
  • количество LED в цепи.

Подключение в автомобиле

..

При заведенном двигателе бывает в среднем 13,5В — 14,5В, при заглушенном12В — 12,5В. Особые требования при включении в автомобильный прикуриватель или бортовую сеть. Кратковременные скачки могут быть до 30В. Если у вас используется токоограничивающее сопротивление, то сила тока возрастает прямо пропорционально повышению напряжению питания светодиодов. По этой причине лучше ставить стабилизатор на микросхеме.

Недостатком использования светодиодных драйверов в авто может быть появление помех на радио в УКВ диапазоне. ШИМ контроллер работает на высоких частотах и будет давать помехи на ваш радиоприёмник. Можно попробовать заменить на другой или линейный типа стабилизатор тока LM317 для светодиодов. Иногда помогает экранирование металлом и размещение подальше от головного устройства авто.

Напряжения питания светодиодов

Из таблиц видно, для маломощных на 1W, 3W этот показатель  2В для красного, желтого цвета, оранжевого. Для белого , синего, зелёного он от 3,2В до 3,4В. Для мощных от 7В до 34В. Эти циферки придется использовать для расчётов.

Таблица для LED на 1W, 3W, 5W

Таблица для мощных светодиодов 10W, 20W, 30W, 50W, 100W

Подключение от 12В

Одно из самых распространенных напряжений это 12 Вольт, они присутствуют в бытовой  технике, в автомобиле и автомобильной электронике. Используя 12V можно полноценно подключить 3 лед диода. Примером служит светодиодная лента на 12V, в которой 3 штуки и резистор подключены последовательно.

Пример на диоде 1W,  его номинальный ток 300мА.

  • Если на одном LED падает 3,2В, то для 3шт получится 9,6В;
  • на резисторе будет 12В – 9,6В = 2,4В;
  • 2,4 / 0,3 = 8 Ом номинал нужного сопротивления;
  • 2,4 * 0,3 = 0,72W будет рассеиваться на резисторе;
  • 1W + 1W + 1W + 0,72 = 3,72W полное энергопотребление всей цепи.

Аналогичным образом можно вычислить и для другого количества элементов в цепи.

Подключение от 1,5В

Источник питания для светодиодов может быть и простой пальчиковой батарейкой на 1,5В. Для LED диода требуется обычно минимум 3V, без стабилизатора тут никак не обойтись. Такие специализированные светодиодные драйвера используются в  ручных фонариках на Cree Q5 и Cree XML T6. Миниатюрная микросхема повышает количество вольт до 3V и стабилизирует  700мА. Включение от 1.5 вольт при помощи токоограничивающего сопротивления невозможно. Если применить две  батареи на  1.5 вольт, соединив их последовательно, получим 3В. Но батарейки достаточно быстро разряжаются,  а яркость будет падать еще быстрее. При 2,5В емкости в батареях останется еще много, но диод уже практически потухнет. А светодиодный драйвер будет поддерживать номинальную яркость даже при 1В.

Обычно такие модули заказываю на Aliexpress,  у китайцев  стоят 50-100руб, в России они дороговаты.

Как рассчитать драйвер

Чтобы рассчитать драйвер питания для светодиодов со стабильным током:

  1. составьте на бумаге схему подключения;
  2. если драйвер китайский, то желательно проверить выдержит он заявленную мощность или нет;
  3. учитывайте, что для разных цветов (синий, красный, зеленый) разное падение вольт;
  4. суммарная мощность не должна быть выше, чем у источника тока.

Нарисуйте схему включения, на которой распределите элементы, если они подключены не просто последовательно, а комбинировано с параллельным соединением.

На китайском блоке питания неизвестного производителя мощность может быть значительно ниже. Они запросто  указывают максимальную пиковую мощность, а не номинальную долговременную. Проверять сложнее, надо предельно нагрузить блок питания и замерить параметры.

Для третьего пункта используйте примерные таблицы для  1W,3W, 5W, 10W, 20W, 30W, 50W, 100W, которые приведены выше. Но больше доверяйте характеристикам, которые вам дал продавец. Для однокристальных бывает 3V, 6V, 12V.

Если энергопотребление цепи  в сумме  превысит номинальную мощность  источника питания, то ток просядет и увеличится нагрев. Он восстановится до нормального уровня, если снизить нагрузку.

Для светодиодных лент сделать расчёт очень просто. Измерьте количество Ватт на 1 метр и умножьте на количество метров. Именно измерьте, в большинстве случаем мощность завышена и вместо 14,4 Вт/м получите 7 Вт/м. Ко мне слишком часто обращаются с такой проблемой разочарованные покупатели.

Низковольтное от 9В до 50В

Кратко расскажу, что использую для включения для блоков на 12В, 19V, 24В и  для подключения к автомобильным 12В.

Чаще всего покупаю готовые модули на ШИМ микросхемах:

  1. бывают повышающие, например, на входе 12V, на выходе 22В;
  2. понижающие, например из 24В до 17В.

Не всем хочется тратить большую денежку на покупку готового прожектора для авто, светодиодного светильника или заказывать готовый драйвер. Поэтому обращаются ко мне, что бы из подручных комплектующих собрать что-нибудь приличное. Цена таких модулей начинается от 50руб до 300руб за модель на 5А с радиатором. Покупаю заранее по несколько штук, расходятся быстро.

Больше всех популярен вариант на линейной ИМС LM317T LM317, простой, надежный устаревший.

Очень популярны модели на LM2596, но она уже устарела и советую обратить внимание на более современное с хорошим КПД. Такие блоки имеют от 1 до 3 подстроечных сопротивлений, которыми можно настроить любые параметры до 30В и до 5А.

Встроенный драйвер, хит 2016

В начале 2016 года стали набирать популярность светодиодные модули и COB диоды с интегрированным драйвером. Они включаются сразу в сеть 220В, идеальный вариант для сборки светотехники своими руками. Все элементы находятся на одной теплопроводящей пластине. ШИМ контроллеры миниатюрные, благодаря хорошему контакту с системой охлаждения. Тестировать надежность и стабильность еще не приходилось, первые отзывы появятся минимум через полгода использования. Уже заказал самую дешевую и доступную модель COB на 50W. Чтобы найти такие на китайском базаре Алиэкспресс, укажите в поиске «integrated led driver».

Характеристики

 

Глобальная проблема, это подделка светодиодов Cree и Philips в промышленных масштабах. У китайцев для этого есть целые предприятия, внешне копируют на 95-99%, простому покупателю отличить невозможно. Самое плохое, когда такую подделку вам продают под видом оригинального Cree T6. Вы будете подключать поддельный по техническим спецификациям оригинального. Подделка имеет характеристики в среднем на 30% хуже. Меньше световой поток, ниже максимальная рабочая температура, ниже энергопотребление. Про обман вы узнаете очень не скоро, он проработает примерно в 5-10 раз меньше настоящего, особенно на двойном токе.

Недавно измерял световой поток своих фонариков на левых Cree производства  LatticeBright. Доставал всю плату с драйвером и ставил в фотометрический шар. Получилось 180-200 люмен, у оригинала 280-300лм. Без серьезного оборудования, которое преимущественно есть в лабораториях, вы не сможете измерить, соответственно узнать правду.

Иногда попадаются разогнанные диоды,  сила тока на которых на 30%-60% выше номинальной, соответственно и мощность. Недобросовестный производитель, особенно  подвально-китайский пользуется тем, что срок службы трудно измерить в часах. Ведь никто не засекает отработанное время, а когда светильник или светодиодный прожектор выйдут из строя продавца уже не найти. Да и искать бессмысленно, срок гарантии на такую продукцию дают всегда меньше периода службы.

led-obzor.ru

Питание светодиодов с помощью ZXSC300

Давиденко Юрий. г. Луганск
Адрес Email —
david_ukr (at) list.ru
(замените (at) на @)

Целесообразность использования светодиодов в фонарях, велофарах, в устройствах местного и дежурного освещениям на сегодняшний день не вызывает сомнений. Светоотдача и мощность светодиодов растет, а цены на них падают. Источников света, в которых вместо привычной лампы накаливания используются светодиоды белого свечения становиться всё больше и купить их не составляет труда. Магазины и рынки заполнены светодиодной продукцией китайского производства. Но качество этой продукции оставляет желать лучшего. По этому возникает необходимость в модернизации доступных (в первую очередь по цене) светодиодных источников света. Да и заменить лампы накаливания на светодиоды в добротных фонарях советского производства тоже имеет смысл. Надеюсь, что приведенная далее информация будет не лишней.

Как известно, светодиод имеет нелинейную вольтамперную характеристику с характерной «пяткой» на начальном участке.

Рис. 1 Вольт-амперная характерисика светодиода белого свечения.

Как мы видим, светодиод начинает светиться, если на него подано напряжение больше 2,7 В. При питании его от гальванической или аккумуляторной батареи, напряжение которой процессе эксплуатации постепенно уменьшается, яркость излучения будет изменяться широких пределах. Чтобы избежать, этого необходимо питать светодиод стабилизированным током. А ток должен быть номинальным для данного типа светодиода. Обычно для стандартных 5-мм светодиодов он составляет среднем 20 мА.

По этой причине приходится применять электронные стабилизаторы тока, которые ограничивают стабилизируют ток, протекающий через светодиод. Часто бывает необходимо запитать светодиод от одного или двух элементов питания напряжением 1,2 – 2,5 В. Для этого используют повышающие преобразователи напряжения. Поскольку любой светодиод является, по сути, токовым прибором, точки зрения энергоэффективности выгодно обеспечивать прямое управление током, протекающим через него. Это позволяет исключить потери, возникающие на балластном (токоограничительном) резисторе.

Одним из оптимальных вариантов питания различных светодиодов от автономных источников тока небольшого напряжения 1-5 вольт является использование специализированной микросхемы ZXSC300 фирмы ZETEX. ZXSC300 это импульсный (индуктивный) повышающий преобразователь DC-DC c частотно-импульсной модуляцией.

Особенности:
  • Контроллер PFM (Pulse Frequency Modulation)
  • КПД — 94%
  • Входное рабочего напряжения — 0,8 -9 В
  • Стабилизированный выходной ток
  • Рассеиваемая мощность — 450 мВт
  • Диапазон рабочих температур —40:85 0С
  • Рабочая частота (оптимальная) — 200 кГц
  • Корпус SOT23-5

Рассмотрим принцип работы ZXSC300.

На рисунке Рис.2 показана одна из типовых схем питания белого светодиода импульсным током с помощью ZXSC300. Импульсный режим питания светодиода позволяет максимально эффективно использовать энергию, имеющуюся в батарейке или аккумуляторе.

Кроме самой микросхемы ZXSC300 преобразователь содержит: элемент питания 1,5 В, накопительный дроссель L1, силовой ключ – транзистор VT1, датчик тока – R1.

Работает преобразователь традиционным для него образом. В течение некоторого времени за счет импульса, поступающего с генератора G (через драйвер), транзистор VT1 открыт и ток через дроссель L1 нарастает по линейному закону. Процесс длиться до момента, когда на датчике тока -низкоомном резисторе R1 падение напряжение достигнет величины 19 мВ. Этого напряжения достаточно для переключения компаратора (на второй вход которого подано небольшое образцовое напряжение с делителя). Выходное напряжение с компаратора поступает на генератор, в результате чего силовой ключ VT1 закрывается и энергия, накопленная в дросселе L1, поступает в светодиод VD1. Далее процесс повторяется. Таким образом, из первичного источника питания в светодиод поступает фиксированные порции энергии, которые он преобразует в световую.

Управление энергией происходит с помощью частотно-импульсной модуляции ЧИМ (PFM Pulse Frequency Modulation). Принцип ЧИМ заключается в том, что изменяется частота, а постоянным остаётся длительность импульса или паузы, соответственно, открытого (On-Time) и закрытого (Off-Time) состояния ключа. В нашем случаи неизменным остаётся время Off-Time, т.е. длительность импульса, при котором внешний транзистор VT1 находится в закрытом состоянии. Для контроллера ZXSC300 Toff составляет 1,7 мкс.

Это время достаточно для передачи накопленной энергии из дросселя в светодиод. Длительность импульса Ton, в течение которого открыт VT1, определяется величиной токоизмерительного резистора R1, входным напряжением, и разницей между входным и выходным напряжением, а энергия, которая накапливается в дросселе L1, будет зависеть от его величины. Оптимальным считается, когда полный период Т равен 5мкс (Toff +Ton). Соответственна рабочая частота F=1/5мкс =200 кГц.

При указанных на схеме Рис.2 номиналах элементов осциллограмма импульсов напряжения на светодиоде имеет вид

Рис.3 вид импульсов напряжения на светодиоде. (сетка 1В/дел, 1мкс/дел)

Немного подробнее об используемый деталях.

Транзистор VT1 -FMMT617, n-р-n транзистор с гарантированным напряжением насыщения коллектор-эмиттер не более 100 мВ при токе коллектора 1 А. Способен выдерживать импульсный ток коллектора до 12 А (постоянный 3 А), напряжение коллектор-эмиттер 18 В, коэффициент передачи тока 150…240. Динамические характеристики транзистора: время включения/ выключения 120/160 нс, f =120 МГц, выходная емкость 30 пф.

FMMT617 является лучшим коммутационным устройством, которое можно использовать совместно с ZXSC300. Он позволяет получить высокий КПД преобразования при входном напряжении меньше одного вольта.

Накопительный дроссель L1.

В качестве накопительного дросселя можно использовать как промышленные SMD Power Inductor, так и самодельные. Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом иначе КПД преобразователя заметно снизиться. В качестве сердечника для самостоятельной намотки хорошо подходят кольцевые магнитопроводы (К10x4x5) от дросселей фильтров питания использующиеся в старых компьютерных материнских платах. На сегодняшний день б/у компьютерное «железо» можно приобрести по бросовым ценам на любом радиорынке. А «железо» — это неисчерпаемый источник разнообразный деталей для радиолюбителей. При самостоятельной намотки для контроля понадобится измеритель индуктивности.

Токоизмерительный резистор R1. Низкоомный резистор R1 47мОм получен параллельным соединением двух SMD резисторов типоразмера1206 по 0,1 Ом.

Светодиод VD1.

Светодиод VD1 белого свечения с номинальным рабочим током 150 мА. В авторской конструкции используется два четырехкристальных светодиода соединенные параллельно. Номинальный ток одного из них составляет 100 мА, другого 60 мА. Рабочий ток светодиода определен путем пропускания через него, стабилизированного постоянного тока и контроля температуры катодного (минусового) вывода, который является радиатором и отводит тепло от кристалла.

При номинальном рабочем токе температура теплоотводящего вывода не должна превышать 40 — 45 градусов. Вместо одного светодиода VD1 также можно использовать восемь параллельно соединенных стандартный 5 мм светодиодов с током 20 мА.

Внешний вид устройства

Рис. 4a.

 

Рис. 4b.

Печатная плата показана на Рис. 5

Рис. 5 (размер 14 на 17 мм).

При разработке плат для подобных устройств необходимо стремиться к минимальным значениям емкости и индуктивности проводника соединяющий К VT1 с накопительным дросселем и светодиодом, а также к минимальным индуктивности и активному сопротивлению входных и выходных цепей и общего провода. Сопротивление контактов и проводов через которые поступает напряжение питания должно быть тоже минимально.

На следующих схемах Рис. 6 и Рис. 7 показан способ питания мощных светодиодов типа Luxeon с номинальным рабочим током 350 мА

Рис. 6 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon

Рис. 7 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon — ZXSC300 запитана от выходного напряжения.

В отличие от рассмотренной ранее схемы здесь питание светодиода происходит не импульсным, а постоянным током. Это позволяет легко контролировать рабочий ток светодиода и КПД всего устройства. Особенность преобразователя на Рис. 7 заключается в том, что ZXSC300 запитана от выходного напряжения. Это позволяет ZXSC300 работать (после запуска) при снижении входного напряжения вплоть до 0,5 В. Диод VD1 — Шотки рассчитанный на ток 2А. Конденсаторы С1 и С3 — керамические SMD, С2 и С3 — танталовые SMD.

Печатные платы показаны на Рис. 8 Рис. 9 (размер 25 на 25 мм).

Рис. 8

 

Рис. 9

На Рис. 10 показана схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

Рис. 10 Схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

В таблице 1 приведены рекомендации по выбору элементов схемы.

Входное напряжение питание, В. Рабочий ток светодиодов, мА Количество светодиодов последовательно соединенных. Сопротивление токоизмерительного резистора, мОм. Индуктивность накопительного дросселя, мкГн.
1,5 20 1 270 68
1,5 30 1 180 68
1,5 50 1 100 68
1,5 20 2 150 100
1,5 30 2 100 100
1,5 50 2 39 100
3,5 20 3 220 68
3,5 20 4 150 68
3,5 20 6 77 68
3,5 30 6 47 68
5 20 4 270 68
5 30 6 100 68

На сегодняшний день стали доступны в использовании мощные 3 – 5 Вт светодиоды различных производителей (как именитых так и не очень).

И в этом случаи применение ZXSC300 позволяет легко решить задачу эффективного питание светодиодов с рабочим током 1 А и более.

В качестве силового ключа в данной схеме удобно использовать подходящий по мощности n-канальный (работающий от 3 В) Power MOSFET, можно также использовать сборку серии FETKY MOSFET (с диодом Шотки в одном корпусе SO-8).

С помощью ZXSC300 и нескольких светодиодов можно легко вдохнуть вторую жизнь в старый фонарь. Модернизации был подвергнут аккумуляторный фонарь ФАР-3.

Рис.11 внешний вид модернизированного фонаря ФАР-3.

Светодиоды использовались 4-х кристальные с номинальным током 100 мА — 6 шт. Соединены последовательно по 3. Для управления световым потоком применены два преобразователя на ZXSC300, имеющих независимое вкл/выкл. Каждый преобразователь работает на свою тройку светодиод.

Рис.12 внешний вид преобразователей и платы со светодиодами.

Платы преобразователей выполнены на двухстороннем стеклотекстолите, вторая сторона соединена с минусом питания.

Рис.13 — принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

Рис.14 — принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

В фонаре ФАР-3 в качестве элементов питания используются три герметичных аккумулятора НКГК-11Д (KCSL 11). Номинальное напряжение этой батареи 3,6 В. Конечное напряжение разряженной батареи составляет 3 В (1 В на элемент). Дальнейший разряд нежелателен т. к. это приводит к сокращению срока службы батареи. А дальнейший разряд возможен — преобразователи на ZXSC300 работают, как мы помним, вплоть до 0,9 В.

Поэтому для контроля напряжения на батарее было спроектировано устройство, схема которого показана на Рис. 15.

Рис.15 — принципиальная схема устройства контроля напряжения на батареи 3 НКГК-11Д.

В данном устройстве используется недорогая доступная элементная база. DA1 — LM393 всем известный сдвоенный компаратор. Опорное напряжения 2,5 В получаем с помощью TL431 (аналог КР142ЕН19). Напряжение срабатывания компаратора DA1.1 около 3 В задаётся делителем R2 -R3 (для точного срабатывания возможно потребуется подбор этих элементов). Когда напряжение на батареи GB1 снижается до 3 В загорается красный светодиод HL1, если напряжение больше 3 В то HL1 гаснет и загорается зеленый светодиод HL2. Резистор R4 определяет гистерезис компаратора.

Печатная плата устройства контроля показана на Рис. 16 (размер 34 на 20 мм).

Если у вас возникли трудности с приобретением микросхемы ZXSC300, транзистора FMMT617 или низкоомных SMD резисторов 0,1 Ом, можно обращаться к автору на e-mail david_ukr (аt) list.ru

Вы можете приобрести следующие компоненты (доставка почтой)

Элементы Количество Цена, $ Цена, грн
1 Микросхема ZXSC 300 + транзистор FMMT 617 1 пара 1.5 $ 7 грн.
2 Резистор 0,1 Ом SMD типоразмер 0805 15 шт 1 $ 5 грн.
3 Печатная плата Рис. 8 3 шт. 1 $ 5 грн.

 

www.qrz.ru

Светодиоды, ленты и их питание от ЭТ переменного тока / Habr

Наверное, не ошибусь, если скажу, что более 90% жителей России знающих, что такое светодиодные ленты, на вопрос «можно ли трансформаторы от „галогенок“ использовать для питания светодиодных лент?» ответят «нет, нельзя!». Самым распространенным объяснением станет банальное «электронный трансформатор – это переменный ток, а светодиодам нужен постоянный». Именно так нам говорят в магазинах, именно такой лейтмотив имеют подавляющее большинство «профессиональных» статей на эту тему, чем, в общем-то, и приучили людей тратить заметно больше денег.

Всегда ли это оправдано и как на самом деле ведут себя светодиоды в самых распространенных СД лентах при питании переменным током мы и попробуем узнать в процессе изложения чтения этой статьи.

Сразу оговорюсь, что для обозначения «светодиод» я и далее буду применять само собой напрашивающееся и вполне естественное сокращение СД и намеренно не буду использовать для этого понятия английскую техническую аббревиатуру LED (Light Emitting Diode). В нашей нынешней стране отсутствие какой либо должной технической подготовки менеджеров и продавцов в магазинах уже привело к замусориванию и появлению таких неестественных для технического языка, юродивых для слуха и ужасных в написании буквосочетаний «леды», «led’ы», «ледовые», или как недавно увидел бегущей строкой — «LEDовые светодиоды». Мало того, что «масло – масляное», я просто вторить и плодить это «словомутие» не хочу…

Идейным источником написания исследования стало давнее желание опровергнуть необоснованные и безаппеляционные утверждения о недопустимости питания СД переменным током. В общем-то спорность этого утверждения наверняка бросается в глаза любому специалисту (а равно и «неспециалисту»), понимающему, что светодиод, хоть и излучает свет, есть прежде всего – ДИОД. А это значит, что излучать под воздействием переменного напряжения он все же будет, но только в свой полупериод.

По сути, нам необходимо будет последовательно ответить на три вопроса:

1) Сможет ли ЭТ «запуститься» при подключении нагрузки в виде полупроводниковых диодов;
2) Если ЭТ запустится, не превысит ли импульсное «переменное» электрическое воздействие допустимых параметров отдельных СД в лент. Если все же превысит, то как долго протянет СД в таких условиях;
3) Какова экономическая эффективность от использования ЭТ в конструкциях освещения на светодиодных лентах.
Итак, полгода назад у меня как раз подвернулся удобный для экспериментов случай.

Мне нужно было осветить пространство в ящиках и тумбах столов моей мастерской. После оборудования кухни в моем распоряжении осталось 1,2 метра одноцветной СД ленты общей мощностью около 17 Вт (Aztech 14Ватт/метр) и один электронный трансформатор от «галогенок» — EAC 12V 20-60Вт, самый распространенный и дешевый, купленный за 74 рубля в июле 2014 года. Для начала, чтобы запустить ЭТ, я нагрузил его обыкновенной галогеновой лампой 20 Вт и затем параллельно подключил все 1,2 метра ленты (Рис. 1). Как и ожидалось, лента зажглась. При этом свечение ленты было равномерным, средней яркости, без какого либо заметного глазу мерцания, что неудивительно, т.к. выходной меандр ЭТ промодулирован по амплитуде малозаметной глазу частой 100Гц. В ходе эксперимента отключение лампы в такой схеме тут же приводило к прекращению свечения СД ленты, что говорило о невозможности запуска ЭТ на одной полуволне напряжения. Тогда я разбил ленту на два участка и включил их встречно-параллельно (Рис.2), что по замыслу должно было обеспечить работу выходного каскада ЭТ на обоих полупериодах. При этом, что бы исключить перекос токов противоположного направления и перегрев выходной обмотки ЭТ от появление постоянной составляющей, я обеспечил равенство (по 8 Вт) количества СД в обоих плечах нагрузки. Сразу после подключения по такой схеме (Рис.2) трансформатор благополучно вышел на режим генерации, а обе светодиодные ленты равномерно зажглись и были оставлены на 1 час, за который ни они, ни сам ЭТ совершенно не нагрелись, что свидетельствовало скорее о вполне нормальных электрических режимах, чем нет.

Итак, ответ на первый вопрос, — запустится ли ЭТ при замене галогеновых ламп на светодиод – положительный. Да, запустится! Если обеспечить встречно-параллельное включение лент как на Рисунке 2.

И забегая вперед …

Забегая вперед, скажу, что как показал дальнейший эксперимент, ЭТ с паспортной минимальной мощностью запуска в 20 Вт, благополучно запускался даже при 10 Вт суммарной светодиодной нагрузки (по 5 Вт в каждом плече).


Идем дальше. Теперь пробуем найти ответ на второй вопрос нашего исследования. Но сейчас нам одних опытов мало, потребуется знание из ТЭРЦиЭ (Теории электро-радиоцепей и элементов), которое в итоге позволит нам предположить: можно ли долговременно питать СД ленты в таком режиме без серьезного ущерба для их долговечности, если вообще рассуждать об ущербе?

Начнем с устройства СД ленты. Лента состоит из соединенных параллельно рабочих участков (Рис.3) из трех излучателей ( обозначены на схеме — E) представляющих собой три отдельных светодиода под общим слоем люминофора. Каждый диод (на схеме — D) излучателя последовательно соединен в триады с диодами из других излучателей и резистором, устанавливающим расчетную рабочую точку диодов (См. Рис. 4).

Резистор в триаде подобран таким образом, что бы при питании от 12 В и расчетной рабочей точке диода Uпр =3,3 В, Iпр = 14 мА на нем гасился избыток напряжения около 2 Вольт.

Между прочим, интересно…

Такая компоновка триады надежна и практична, ибо в случае выхода из строя одиночного СД в триаде, ни один из излучателей полностью не отключится, а продолжит гореть, хоть и с меньшей на треть яркостью. Можно конечно создать триаду на базе одиночного излучателя (и такие ленты встречаются в продаже). В них, рабочим участком определяющим её нарезку будет фрагмент с одиночным излучателем и резистором, но в таком случае, выход из строя одиночного СД в триаде приведет к потере свечения целым излучателем, что будет сразу заметно в любом светильнике.


Покопавшись у производителей SMD светодиодов несложно найти и электрические параметры примененных СД:

Для полноты полученного исследования я дополнительно снял вольтамперную характеристику (ВАХ) рабочего участка ленты (Рис.5), а и путем несложного пересчета получил ВАХ для отдельного СД (Рис.6).

Надеюсь вы…

Надеюсь вы не сомневаетесь, что это можно было сделать и физически, и результаты бы совпали.



Рис.5


Рис.6

Приведенные на рисунках ВАХ не требуют дополнительных пояснений. Добавлю только, что при напряжении менее 2,35 В на отдельном СД его свечение полностью отсутствует, что соответствует напряжению питания рабочего участка около 7 В., а напряжение питания в 15,5 Вольт на ленте является полностью безопасным, т.к. ток через отдельный светодиод не превышает нормальных эксплуатационных 30 мА.

Однако все эти численные выражения рабочих параметров актуальны только для постоянного тока. Мы собираемся испытывать диод при воздействии переменного напряжения, т.е. импульсного напряжения разных направлений. Однако при таком питании предельно допустимые значения токов и напряжений на диоде могут быть в разы, а то и в десятки раз больше пределов для постоянного тока (это общеизвестно и сомневающиеся менеджеры могут почитать лекции по ТЭРЦ) – все зависит от длительности и периодичности воздействия. Но вот беда: выходное напряжение ЭТ имеет достаточно сложную форму, что не позволяет математически достоверно описать его в пределах данной статьи, а ТТХ на светодиоды не снабжены разделом абсолютных значений для импульсных режимов работы. Хотя там, правда, имеется один параметр (Iпр имп), но для какой длительности импульса он актуален – не ясно, для какой скважности воздействия это применимо, тоже можно только догадываться.

Все дело в том….Все дело в том, что p-n переход полупроводника при работе от переменного (импульсного) тока работает с переменной нагрузкой. Токовые периоды, вызывающие нагрев и работу светодиода по излучению световых волн сменяются паузами покоя (при которых ток через переход не течет) и в которых полупроводник остывает. И вопрос здесь уже не столько в абсолютном значении тока через полупроводник, а сколько в том, успеет ли полупроводник в период безтоковой паузы остыть настолько, что бы скомпенсировать нагрев произошедший в токовый период. Т.е. не допустить теплового пробоя.
Здесь, я хочу напомнить «физику» отказа полупроводника. Это нам позволит понять суть происходящих процессов. Она, физика, в общем-то известна, но все же своими словами: долговечность любого прибора определяется его отказоустойчивостью. Отказы диодов при штатной эксплуатации происходят в случае теплового, либо электрического пробоя.

Электрический пробой, как правило, возникает при превышении допустимого обратного напряжения (Uобр). При этом диод теряет свойство односторенней проводимости и начинает проводить в обе стороны. В большинстве случаев электрический пробой обратим и работоспособность прибора восстанавливается.

А вот тепловой пробой, напротив, необратим и возникает при избыточном токе прямого (реже обратного, возникшего уже после электрического пробоя) направления и влечет за собой разрушительного изменения в кристалле полупроводника в результате сильного локального перегрева p-n перехода, неспособного пропустить через себя большое количество заряженных частиц.

Суть здесь такова, что пока не созданы условия для возникновения теплового пробоя – полупроводник работает. Повторюсь, что в общем то не важно какое абсолютное значение имеет ток через него протекающий. Он может быть очень большим! Главное, что бы наш диод не успел перегреться. В паспорте на любой диод указываются два максимально допустимых параметра: Максимальный прямой ток Iпр mzx и Максмальное обратное напряжение U обр макс, для длительного воздействия постоянным током, которые при стандартных условиях эксплуатации гарантированно не приведут ни к электрическому, ни к тепловому пробою.

Поэтому для исследования степени воздействия переменного напряжения ЭТ на светодиоды мы оттолкнемся от постулата, что любое длительное импульсное воздействие тока можно привести к такому значению постоянного тока, при котором работа, совершаемая светодиодом под воздействием импульсного тока, будет идентична работе при постоянно токе.

Как же мы оценим производимую светодиодом работу? Да очень просто. Светодиод под действием протекающего через него тока совершает работу по выделению световой энергии и тепловой. А эти два параметра мы как раз очень легко можем замерить и сравнить для обоих видов тока, а значит определить, как сильно нагружает светодиод выходное напряжение ЭТ по сравнению со стандартным 12 В стабилизатором.

Для оценки световой энергии излучаемой отдельным рабочим участком СД ленты я снял зависимость освещенности от напряжения питания. Освещенность замерялась на расстоянии 10 см от излучателей (Рис 7).


Рис.7

Таким образом, на данном этапе, у нас все готово для того, что бы получить ответ на второй и третий вопросы нашего исследования.
Приступим.

Для начала исследуем выходное напряжение нашего ЭТ:


Рис.8

Сразу скажу, что использовать бытовой электронный тестер-ампервольтметр для измерения амплитуды напряжения такой формы нельзя. Он рассчитан на измерение строго гармонического колебаний, а в нашем случае он будет очень сильно врать, ибо мы имеем дело с переменным импульсным напряжением промодулированным по амплитуде током удвоенной промышленной частоты. Частота модуляции 100 Гц, частота заполнения: 10КГц – двунаправленный меандр, амплитуда сигнала Uа = 18 Вольт. Отдельных выбросов амплитудой более 18 В осциллограф не зафиксировал. Так как заполнение меандр, то действующее значение напряжения будет целиком подчиняться закону модулирующего сигнала, а поэтому в нашем случае Uдейст =Uа/√2= 18/1,41 = 12,7В. Именно поэтому в паспорте на ЭТ указано, что выходное напряжение составляет ~12В.

Глядя на эпюры и сопоставляя их с ТТХ и ВАХ становится ясно, что при действии прямого тока на СД, мы едва ли выйдем за пределы допустимых параметров. Заявленный предельный прямой импульсный ток для одиночного СД в 60 мА достижим только при Uпр > 3,9 В, т.е. при напряжении питания на ленте более 20 В (см. вольт-амперные характеристики), но таких значений мы, как видим все равно не достигаем. С другой стороны, легко видно, что длительность воздействия напряжения свыше упомянутых и совершено безопасных 15,5 В (при которых ток через СД не более 30 мА) составляет не более 8% от общего времени питания от рассматриваемого ЭТ. Думаю едвали это опасно для СД. Ок. Запомним. Проверим чуть позже.
Теперь прикинем, не выйдем ли мы за пределы допустимого обратного напряжения и при воздействии обратного полупериода напряжения. В этом случае сопротивлением R в триаде можно пренебречь, Uа (18В) равномерно распределится по СД в триаде, и амплитудное значение напряжения на диода составит 6 В, что больше заявленных 5В. Но, длительность превышения опять не превысит 8% от общего времени работы СД, и второе, что меня очень сильно смутило, это то, что допустимое обратное напряжение, во всех даташитах как то уж очень подозрительно одинаково для разных серий светодиодов. Оно всегда равно 5В. Ок. Запомним и это и начнем подводить первые итоги.

Итак, теоретически, при прямом полупериоде мы не должны превысить прямых токов для СД, а при обратном полупериоде, превышение заявленного допустимого обратного напряжения мало, — как по продолжительности воздействия, так и по абсолютному значению.

Ну что, же теперь пора проверить наши выводы на практике. Давайте практически оценим световую и тепловую отдачу. Если свет и тепло выделяемые лентой не превысят тех, что выделяются при питании от стандартного источника питания для СД лент, то значит наш положительный теоретический вывод будет подтвержден.

Запитав ленту от ЭТ встречно параллельно измеряем светоотдачу единичного рабочего участка ленты из трех излучаетелей и сравниваем значения с характеристикой на Рис. 7. Люксметр фиксирует значения на уровне 970-990 люкс, что соответствует питанию ленты от источника напряжения чуть ниже 10 В!!! Нагрев ленты оказался ничтожны и через 1 час работы не превысил 35 градусов Цельсия, при температуре окружающего воздуха 25°C. В аналогичных условиях, но при питании постоянным током Uпр=12В, лента нагревалас до 49°C, а создаваемая освещенность составляла около 2000 Люкс. Эти результаты совершенно однозначно говорят о том, что несмотря на все маркетологические увещевания, полупроводник при питании от ЭТ работает в недогруженном режиме и ожидать его скорой смерти едва ли приходится. Кстати, посмотрев на Рис. 9, и произведя замеры площадей фигур светло синего и кирпичного цветов можно понять, почему именно СД светятся так, будто питаются от 10В. Дело в том, что светло-синяя фигура характеризует условия, при которых СД лента совершает полезную работу (помним, что это происходит при Uпит > 7 Вольт). Светло-коричневая фигура за вычетом светло-синей – это условия, при которых СД лента простаивает – не работает! Соотношение их площадей как раз 10 к 8. Все сходится, однако, хе-хе.


Рис.9

И тем не менее, на фоне положительного ответа второй вопрос нашего исследования, мысль о пусть и незначительном, но все же превышении допустимого обратного напряжения мне не давала покоя. Короче, я решил по жесткому: подключил ленту к источнику постоянного тока и плавно увеличивая обратное напряжение стал ожидать, когда же миллиамперметр зафиксирует электрический пробой. Доведя обратное напряжение на отдельном светодиоде почти до 20 Вольт я так и не добился пробоя. Обратный ток при этом не превышал 15 мкА. Оставив все это дело почти на сутки – я убедился, что ничего с излучателями не случилось, а уж видимо от коротких импульсных воздействий 6В против 5В и подавно ничего не должно произойти в обозримой перспективе.

Конечно, надо признать….

Конечно, я признаю, что это, пожалуй, самый спорный момент в моём исследовании, но практический результат, есть опыт более ценный, чем математические расчеты. Ведь опыт есть отражение сути, а теория это всего лишь попытка эту суть просчитать в мозгах.


Выводы и ответ на третий вопрос

Использовать ЭТ от галогенок для питания светодиодных лент можно и похоже это вовсе не скажется на долговечности работы СД лент и источников света. Скорее даже наоборот скажется, но служить они будут дольше. Наверное. Пока получается, что так. Незабудьте только про встречно параллельное включение и равенство плеч.

Теперь главный вопрос не в том, что — можно ли? Вопрос в том, — А стоит ли?
Ответ следующий – если вы собираете смонтировать систему освещения с нови, то наверное не стоит. Так дешевизна ЭТ будет перекрыта покупкой большего количества, либо большей мощности светодиодов, ведь при 10 В световой поток создаваемый СД лентой в два раза меньше того, что имеем при 12В (см. Рис. 7)

Питание от ЭТ оправдано в случаях, когда:

  • — у вас уже есть действующее световое решение на галогенках, и вам хотелось бы без дополнительных затрат на БП и лишних проводов поставить еще и светодиоды. У меня, например, так на кухне сделано;
  • — у вас остались незадействованные ЭТ (коих сейчас будет высвобождаться все больше и больше), а требования к мощности планируемого освещения не велики;
  • — когда у вас созрело решение заменить галогеновые лампы на светодиодные, а изменения в проводку внести по каким то соображениям не получается.

Спасибо.
Vink01

habr.com

Драйвер или блок питания для светодиодов?

Сегодня в продаже можно увидеть множество различных типов источников питания для светодиодов. Данная статья призвана облегчить выбор нужного вам источника.

Прежде всего, рассмотрим различие стандартного блока питания и драйвера для светодиодов. Для начала нужно определиться — что такое блок питания ? В общем случае это — источник питания любого типа, представляющий собой отдельный функциональный блок. Обычно он имеет определенные входные и выходные параметры, причем неважно — для питания каких именно устройств предназначен. Драйвер для питания светодиодов обеспечивает стабильный ток на выходе. Другими словами — это тоже блок питания. Драйвер — это лишь маркетинговое обозначение — дабы избежать путаницы. До появления светодиодов источники тока — а им и является драйвер, не имели широкого распространения. Но вот появился сверхъяркий светодиод — и разработка источников тока пошла семимильными шагами. А чтобы не путаться — их называют драйверами. Итак, давайте договоримся о некоторых терминах. Блок питания — это источник напряжения (constant voltage), Драйвер — источник тока (constant current). Нагрузка — то, что мы подключаем к блоку питания или драйверу.

Блок питания

Большинство электроприборов и компонентов электроники требуют для своей работы источник напряжения.  Им является обычная электрическая сеть, которая присутствует в любой квартире в виде розетки.  Всем известно словосочетание «220 вольт». Как видите — ни слова о токе. Это означает, что если прибор рассчитан на работу от сети 220 В, то вам неважно — сколько тока он потребляет. Лишь бы было 220 — а ток он возьмет сам — столько, сколько ему нужно. К примеру, обычный электрический чайник мощностью 2 кВт (2 000 Вт), включенный в сеть 220 в, потребляет следующий ток: 2 000/220 =9 ампер. Довольно много, учитывая, что большинство обычных электрических удлинителей рассчитано на 10 ампер. В этом причина частого срабатывания защиты (автомата) при включении чайников в розетку через удлинитель, в который и так вставлено много приборов — компьютер, например. И хорошо, если защита сработает, в противном случае удлинитель может просто расплавиться.  И так — любой прибор, рассчитанный на включение в розетку — зная, какова его мощность, можно вычислить потребляемый ток.

Но большинство бытовых устройств, таких как телевизор, DVD-проигрыватель, компьютер, нуждаются в понижении сетевого напряжения с 220 В до нужного им уровня — например, 12 вольт. Блок питания — это как раз то устройство, которое занимается таким понижением. 

Понизить напряжение сети можно разными способами. Самые распространенные блоки питания — трансформаторный и импульсный.

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:

В итоге напряжение на каждой лампе будет одинаковое — 12 вольт, а вот тока они возьмут каждая по 0,42 А. То есть ток в цепи возрастет в два раза.  Учитывая, что блок у нас мощностью 10 Вт — мало ему уже не покажется — при параллельном включении мощность нагрузки, то есть лампочек, суммируется. Если мы еще и третью подключим — то блок питания начнет дико греться и в конце концов сгорит, возможно, прихватив с собой вашу квартиру.  А все это потому, что он не умеет ограничивать ток. Поэтому очень важно правильно рассчитать нагрузку на блок питания. Конечно, блоки посложнее содержат защиту от перегрузки и автоматически отключаются. Но рассчитывать на это не стоит — защита, бывает, тоже не срабатывает.

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.

Резистор

Это простейший драйвер для светодиода. Выглядит как бочонок с двумя выводами. Резистором можно ограничить ток в цепи, подобрав нужное сопротивление.

Недостаток — низкий КПД, отсутствие гальванической развязки. Способов надежно запитать светодиод от сети 220 В через резистор не существует, хотя во многих бытовых выключателях подобная схема используется.

Конденсаторная схема.

Сходна со схемой на резисторе. Недостатки те же. Возможно изготовить конденсаторную схему достаточной надежности, но при этом стоимость и сложность схемы сильно возрастут.

Микросхема LM317

Это следующий представитель семейства простейших драйверов для светодиодов. Подробности — в вышеупомянутой статье о светодиодах в авто. Недостаток — низкий КПД, требуется первичный источник питания.  Преимущество — надежность, простота схемы.

Драйвер на микросхеме типа HV9910

Данный тип драйверов получил изрядную популярность благодаря простоте схемы, дешевизне комплектующих и небольших габаритах.

Преимущество — универсальность, доступность. Недостаток — требует квалификации и осторожности при сборке. Отсутствует гальваническая развязка с сетью 220 В. Высокие импульсные помехи в сеть. Низкий коэффициент мощности.

Драйвер с низковольтным входом

В эту категорию входят драйверы, рассчитанные на подключение к первичному источнику напряжения — блоку питания или аккумулятору. Например, это драйверы для светодиодных фонарей или ламп, предназначенных для замены галогенных 12 В. Преимущество — небольшие габариты и вес, высокий КПД, надежность, безопасность при эксплуатации. Недостаток — требуется первичный источник напряжения.

Сетевой драйвер

Полностью готовы к использованию и содержат все необходимые элементы для питания светодиодов. Преимущество — высокий КПД, надежность, наличие гальванической развязки, безопасность при эксплуатации. Недостаток — высокая стоимость, труднодоступны для приобретения. Могут быть как в корпусе, так и без корпуса. Последние обычно применяют в составе ламп или других источников света.

Применение драйверов на практике

Большинство людей, планирующих использовать светодиоды, совершают типичную ошибку. Сначала приобретаются сами СИД, затем под них подбирается драйвер. Ошибкой это можно считать потому, что в настоящее время мест, где можно приобрести в достаточном ассортименте драйвера, не так уж и много. В итоге, имея на руках вожделенные светодиоды, вы ломаете голову — как подобрать драйвер из имеющегося в наличии.  Вот купили вы 10 светодиодов — а драйвера только на 9 есть. И приходится ломать голову — как быть с этим лишним светодиодом. Может быть, проще было сразу на 9 рассчитывать. Поэтому выбор драйвера должен происходить одновременно с выбором светодиодов.  Далее, нужно учитывать особенности светодиодов, а именно падение напряжения на них. К примеру, красный 1 Вт светодиод имеет рабочий ток 300 мА и падение напряжения 1,8-2 В. Потребляемая им мощность составит 0,3 х 2 = 0,6 Вт. А вот синий или белый светодиод имеет при таком же токе падение напряжения 3-3,4 В, то есть мощность 1 Вт. Стало быть, драйвер с током 300 мА и мощностью 10 Вт «потянет» 10 белых или 15 красных светодиодов. Разница существенная.

Хочу заметить, что многие ошибочно предполагают, что рабочий ток 1 Вт светодиодов — 350 мА. Это не так, 350 мА — это МАКСИМАЛЬНЫЙ рабочий ток. Это означает, что при продолжительной работе необходимо использовать источник питания с током 300-330 мА. Это же верно и для параллельного включения — ток на один светодиод не должен превышать указанной цифры 300-330 мА. Вовсе не значит, что работа на повышенном токе вызовет отказ светодиода. Но при недостаточном теплоотводе каждый лишний миллиампер способен сократить срок службы.  К тому же чем выше ток — тем ниже КПД светодиода, а значит, сильнее его нагрев.

Если речь пойдет о подключении светодиодной ленты или модулей, рассчитанных на 12 или 24 вольта, нужно принимать во внимание, что предлагаемые для них источники питания ограничивают напряжение, а не ток, то есть не являются драйверами в принятой терминологии. Это означает, во-первых, что нужно внимательно следить за мощностью нагрузки, подключаемой к определенному блоку питания. Во-вторых, если блок недостаточно стабилен, скачок выходного напряжения может погубить вашу ленту.  Слегка облегчает жизнь то, что в лентах и модулях (кластерах) установлены резисторы, позволяющие ограничить ток до определенной степени. Надо сказать, светодиодная лента потребляет относительно большой ток. Например, лента smd 5050, количество светодиодов в которой составляет 60 штук на метр, потребляет около 1,2 А на метр. То есть для запитки 5 метров понадобится блок питания с током не менее 7-8 ампер. При этом 6 ампер потребит сама лента, а один-два ампера нужно оставить про запас, чтобы не перегрузить блок. А 8 ампер — это почти 100 ватт. Такие блоки недешевы.

Драйверы более оптимальны для подключения ленты, но найти такие специфические драйвера проблематично. 

Подытоживая, можно сказать, что выбору драйвера для светодиодов нужно уделять не меньше, а то и больше внимания, чем светодиодам. Небрежность при выборе чревата выходом из строя светодиодов, драйвера, чрезмерным потреблением и другими прелестями 🙂

Юрий Рубан, ООО «Рубикон», 2010 г. Барнаул

led-mark.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о