Подключение светодиодов через стабилизатор тока. В чем отличие блока питания от драйвера для светодиодов: теория и практика, всё что нужно знать Источники тока для светодиодных светильников

Светодиоды в целом, и, в частности, мощные (более 1 Вт) светодиоды очень чувствительны к различным внешним факторам, которые могут негативно сказаться на их сроке службы и качественных показателях. В настоящее время величины максимальных питающих токов для светодиодов имеют весьма ощутимые значения: до 1…1,5 и даже до 2 А по сравнению с 0,35 А, на которые чаще всего нормируются характеристики светодиода. Желание получить максимальный световой поток с одного полупроводникового излучателя ведет к увеличению тока, пропускаемого через него, что отражается на его тепловыделении, и вся конструкция (светодиод + светодиодная арматура) работает на грани перегрева кристалла. При этом к источнику питания предъявляются высокие требования по стабильности выходных характеристик, которые он должен обеспечить. Это является довольно проблематичным при использовании для питания источника напряжения. Во-первых, предварительное выравнивание тока в цепи светодиодов потребует, по крайней мере, дополнительного резистора, который будет ограничивать ток и в то же время рассеивать на себе дополнительную мощность. Во-вторых, любая осветительная установка работает в некотором диапазоне температур, часто довольно широком, а светодиод, обладая отрицательной зависимостью прямого падения напряжения от температуры кристалла — обычно на уровне -2…-4 мВ/°С, будет иметь плавающую рабочую точку. В-третьих, свой вклад будет вносить нестабильность выходных характеристик самого источника. Эти причины изрядно сократят жизнь современному источнику света, особенно в случае его работы на токах, близких к максимальным. Так, повышение напряжения на переходе всего на 0,1 В будет причиной изменения силы тока на 200 мА, что приведет к повышенному тепловыделению и может крайне негативно сказаться на работе светового прибора.

ВАХ на рисунке 1 показывает, насколько важно использование блока питания (БП) с регулированием по току, а не по напряжению. Повышение напряжения питания на светодиоде на 3% (0,1 В) приводит к росту тока в первом приближении на 20% (200 мА). Соответственно, на 40% растет потребляемая мощность и тепловая отдача, что неизбежно приведет к перегреву, деградации структуры кристалла и выходу из строя светодиода. При кратковременном сильном превышении питающего светодиод тока может начаться деградация кристалла диода, за которой также последует выход из строя.

Рис. 1.

Понижение напряжения на диоде также нежелательно, так как при его падении на 3% от номинального, что соответствуют падению тока на 200 мА, мы теряем более 50% светового потока, что видно из зависимости относительного потока светодиода от питающего тока (рис. 2).

Рис. 2.

Самым простым способом обеспечить необходимый ток питания светодиода является применение высокочастотных (десятки кГц) широтно-импульсных преобразователей (ШИМ), способных поддерживать необходимый средний ток в широком диапазоне мощностей подключенного оборудования. В обиходе светотехников и электриков такие БП часто называют светодиодными драйверами. Некоторые модели в выходной цепи преобразуют чистый ШИМ-сигнал (прямоугольные импульсы) в более сглаженную кривую, среднее значение которой находится на уровне желаемого среднего тока.

Высокая частота работы блока питания обусловлена, прежде всего, требованиями к отсутствию видимых пульсаций источников света. Особенностью конструкции ШИМ-схем является также то, что существует запас для понижения сетевого напряжения, при котором световой поток оборудования не снижается, но уменьшается частота пульсаций выходного сигнала, особенно сильно проявляющаяся при работе БП на нагрузках, близких к максимально допустимым. К примеру, блоки питания компании Inventronics могут работать в диапазоне действующих значений напряжения сети питания от 90 до 305 В, при этом частота пульсаций выходного сигнала все еще значительно превышает порог, при котором мигание светодиода может быть заметным, т.е. явление фликера (мигания источника света согласно ГОСТ 13109-97) сводится к нулю. Таким образом, ШИМ-блоки питания могут быть рекомендованы для использования в осветительном оборудовании на расстоянии от региональных центров на территории России, где напряжения в сети может быть ощутимо ниже стандартных (действующее значение напряжения в сети может падать до 150 В и менее в регионах, удаленных от крупных электростанций), а кратковременные перенапряжения, вызванные подключением мощных удаленных потребителей, могут достигать 260 В и более.

Другой особенностью использования БП с ШИМ является простота интеграции с управляемыми диммерами. При этом БП могут получать информацию о степени ослабления светового потока по каналам 1…10 В, DMX, DALI или другим протоколам. Также нельзя не упомянуть малые габаритные размеры ШИМ-блока питания, позволяющие минимизировать размеры корпуса ОП с интегрированным БП или упростить установку внешнего блока питания недалеко от светильника.

Есть и другой подход к исполнению блоков питания: для упрощения адаптации к существующим сетям, минимизации объема БП внутри светильников и организации низковольтной сети по принципам электробезопасности используются отдельный низковольтный источник напряжения (12 или 24 В) за пределами корпуса осветительного прибора (ОП) и малогабаритный ШИМ-преобразователь внутри светильника. Несмотря на кажущуюся простоту, при таком подходе можно столкнуться с рядом серьезных опасностей при монтаже. В частности, при ошибке в полярности подключения ШИМ-преобразователь сразу выходит из строя.

Очень важным параметром любого импульсного блока питания является величина гармонических и нелинейных искажений формы питающего напряжения, которые он создает в сети. Они отрицательно сказываются на проводке электросети и потребителях, подключенных к ней. Это влияние выражается не только в различных помехах, которые сказываются на чувствительных электроприборах, но также и в самой трехфазной сети, в нулевом проводнике которой могут протекать токи, превышающие токи в фазных проводниках. Причина состоит в том, что импульсный БП потребляет из сети мощность лишь на пиках питающего напряжения; потребляемый ток имеет форму небольшого импульса и содержит в себе широкий набор гармонических составляющих. В случае симметричной нагрузки в нулевом проводнике высшие гармоники тока компенсируют друг друга (сдвиг фаз относительно друг друга составляет 120°), но это не относится к высшим гармоникам, кратным трем, которые в нулевом проводнике окажутся сложенными.

Коэффициент мощности l — комплексный показатель искажения потребляемой из сети мощности, который учитывает не только сдвиг фазы, но и искажение формы потребляемого тока (наличие гармонических составляющих). ГОСТ Р 51317.3.2-2006 устанавливает нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С (таблица 1).

Таблица 1. Нормы гармонических составляющих тока для ТС класса С

При этом данные нормы устанавливаются для световых приборов с активной потребляемой мощностью более 25 Вт, однако следует полагать, что распространение энергоэффективных маломощных светодиодных светильников заставит существенно снизить эту планку или вовсе отменить ограничение.

Для минимизации вносимых в сеть искажений применяют устройства, компенсирующие вышеуказанные помехи и приближающие коэффициент мощности к единице. В то время как для приборов с фиксированной потребляемой мощностью применяют пассивные компенсационные конденсаторы (например, в ПРА для металл-галогенных или люминесцентных ламп), в импульсные БП интегрируют активные компенсационные устройства, максимально приближающие их характеристики к резистивным в широком диапазоне подключенных нагрузок.

Несоблюдение этих норм негативно сказывается как на качестве питающей электроэнергии, так и на работе устройств и состоянии инфраструктуры. Предприятия, превышающие эти нормы, облагаются штрафами и вынуждены устанавливать дополнительные конденсаторные установки. Однако потребление электрической энергии предприятием в большой степени прогнозируемо, что и позволяет обойтись пассивной коррекцией.

Блоки питания на ШИМ с компенсаторами вносят крайне малые искажения в сеть. Например, серия мощных БП EUC (рис. 3) от Inventronics обеспечивает значение коэффициента мощности в пределах 0,97…0,99.

Рис. 3.

КПД современных блоков питания с широтно-импульсными модуляторами достигает величины 92% и более, что немаловажно, т.к. затрачиваемая ими энергия уходит в нагрев. Соответственно, чем выше КПД, тем меньше требуется эффективная площадь рассеяния радиатора и, соответственно, тем меньше будут габариты и масса БП, за которыми, безусловно, следует снижение стоимости драйвера.

В настоящее время БП производятся с корпусами в различном исполнении: как для установки внутрь СП, встройки в мебель или размещения в помещениях, так и во влагозащищенных корпусах с различными показателями пылевлагозащиты (IP): от IP23, допустимых к установке в сухих помещениях, и IP54 для установки во влажных помещениях и под навесом, до влагозащищенных с корпусами IP67, подходящих для установки снаружи помещений. Малораспространенная группа БП с IP68 предназначена для установки в грунт без дополнительных корпусов.

Цветовые характеристики светодиода также могут отклоняться при изменении тока питания. Например, диаграмма зависимости цветовых координат от рабочего тока мощного светодиода Osram Dragon plus (рис. 4) показывает относительное смещение цветовых координат излучения.

Рис. 4.

В первую очередь это относится к световым приборам с возможностью управления и создания различных цветодинамических сцен. Так при использовании световым прибором большого диапазона рабочих токов цветовые координаты в пространстве могут смещаться на 0,01 единиц по оси x и на 0,015 единиц по оси y. Это смещение в холодном белом диапазоне может достигать несколько сотен Кельвин (до 700К). Но в повседневных применениях этот фактор практически не заметен. Влияние изменения величины питающего тока исчезает в случае питания светодиодов ШИМ-сигналом, а управление можно осуществлять изменением скважности сигнала.

Заключение

На рынке появился большой объем светодиодной продукции, оснащенной качественными БП и самыми различными видами оптики. Большая их часть производится с использованием мощных светодиодов. Ряд приборов ведущих мировых производителей можно уже считать проверенными временем, так как они не первый год успешно и безотказно работают на самых различных объектах в России и за рубежом.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка — e-mail:

Светодиоды получили большую популярность. Главную роль в этом сыграл светодиодный драйвер, поддерживающий постоянный выходной ток определенного значения. Можно сказать, что это устройство представляет собой источник тока для LED-приборов. Такой драйвер тока, работая вместе со светодиодом, обеспечивает долголетний срок службы и надежную яркость. Анализ характеристик и видов этих устройств позволяет понять, какие они выполняют функции, и как их правильно выбирать.

Что такое драйвер и каково его назначение?

Драйвер для светодиодов является электронным устройством, на выходе которого образуется постоянный ток после стабилизации. В данном случае образуется не напряжение, а именно ток. Устройства, которые стабилизируют напряжение, называются блоками питания. На их корпусе указывается выходное напряжение. Блоки питания 12 В применяют для питания LED-линеек, светодиодной ленты и модулей.

Основным параметром LED-драйвера, которым он сможет обеспечивать потребителя длительное время при определенной нагрузке, является выходной ток. В качестве нагрузки применяются отдельные светодиоды или сборки из аналогичных элементов.

Драйвер для светодиода обычно питается от сети напряжением 220 В. В большинстве случаев диапазон рабочего выходного напряжения составляет от трех вольт и может достигать нескольких десятков вольт. Для подключения светодиодов 3W в количестве шести штук потребуется драйвер с выходным напряжением от 9 до 21 В, рассчитанный на 780 мА. При своей универсальности он обладает малым КПД, если на него включить минимальную нагрузку.

При освещении в автомобилях, в фарах велосипедов, мотоциклов, мопедов и т. д., в оснащении переносных фонарей используется питание с постоянным напряжением, значение которого варьируется от 9 до 36 В. Можно не применять драйвер для светодиодов с небольшой мощностью, но в таких случаях потребуется внесение соответствующего резистора в питающую сеть напряжением 220 В. Несмотря на то, что в бытовых выключателях используется этот элемент, подключить светодиод к сети 220 В и рассчитывать на надежность достаточно проблематично.

Основные особенности

Мощность, которую эти устройства способны отдавать под нагрузкой, является важным показателем. Не стоит перегружать его, пытаясь добиться максимальных результатов. В результате таких действий могут выйти из строя драйверы для светодиодов или же сами LED-элементы.

На электронную начинку устройства влияет множество причин:

• класс защиты аппарата;
• элементная составляющая, которая применяется для сборки;
• параметры входа и выхода;
• марка производителя.

Изготовление современных драйверов выполняется при помощи микросхем с использованием технологии широтно-импульсного преобразования, в состав которых входят импульсные преобразователи и схемы, стабилизирующие ток. ШИМ-преобразователи запитываются от 220 В, обладают высоким классом защиты от коротких замыканий, перегрузок, а так же высоким КПД.

Технические характеристики

Перед приобретением преобразователя для светодиодов следует изучить характеристики устройства. К ним относятся следующие параметры:

• выдаваемая мощность;
• выходное напряжение;
• номинальный ток.

На выходное напряжение влияет схема подключения к источнику питания, количество в ней светодиодов. Значение тока пропорционально зависит от мощности диодов и яркости их излучения. Светодиодный драйвер должен выдавать столько тока для светодиодов, сколько потребуется для обеспечения постоянной яркости. Стоит помнить, что мощность необходимого устройства должна быть более потребляемой всеми светодиодами. Рассчитать ее можно, используя следующую формулу:

P (led) – мощность одного LED-элемента;

n - количество LED-элементов.

Для обеспечения длительной и стабильной работы драйвера следует учитывать запас мощности устройства в 20–30% от номинальной.

Выполняя расчет, следует учитывать цветовой фактор потребителя, так как он влияет на падение напряжения. У разных цветов оно будет иметь отличающиеся значения.

Срок годности

Светодиодные драйверы, как и вся электроника, обладают определенным сроком службы, на который сильно влияют эксплуатационные условия. LED-элементы, изготовленные известными брендами, рассчитаны на работу до 100 тысяч часов, что намного дольше источников питания. По качеству рассчитанный драйвер можно классифицировать на три типа:

• низкого качества, с работоспособностью до 20 тысяч часов;
• с усредненными параметрами - до 50 тысяч часов;
• преобразователь, состоящий из комплектующих известных брендов - до 70 тысяч часов.

Многие даже не знают, зачем обращать внимание на этот параметр. Это понадобится для выбора устройства для длительного использования и дальнейшей окупаемости. Для использования в бытовых помещениях подойдет первая категория (до 20 тысяч часов).

Как подобрать драйвер?

Насчитывается множество разновидностей драйверов, используемых для LED-освещения. Большинство из представленной продукции изготовлено в Китае и не имеет нужного качества, но выделяется при этом низким ценовым диапазоном. Если нужен хороший драйвер, лучше не гнаться за дешевизной китайского производства, так как их характеристики не всегда совпадают с заявленными, и редко когда к ним прилагается гарантия. Может быть брак на микросхеме или быстрый выход из строя устройства, в таком случае не удастся совершить обмен на более качественное изделие или вернуть средства.

Наиболее часто выбираемым вариантом является бескорпусный драйвер, питающийся от 220 В или 12 В. Различные модификации позволяют использовать их для одного или более светодиодов. Эти устройства можно выбрать для организации исследований в лаборатории или же проведения экспериментов. Для фито-ламп и бытового применения выбирают драйверы для светодиодов, находящиеся в корпусе. Бескорпусные устройства выигрывают в ценовом плане, но проигрывают в эстетике, безопасности и надежности.

Виды драйверов

Устройства, осуществляющие питание светодиодов, условно можно разделить на:

• импульсные;
• линейные.

Устройства импульсного типа производят на выходе множество токовых импульсов высокой частоты и работают по принципу ШИМ, КПД у них составляет до 95%. Импульсные преобразователи имеют один существенный недостаток - во время работы возникают сильные электромагнитные помехи. Для обеспечения стабильного выходного тока в линейный драйвер установлен генератор тока, который играет роль выхода. Такие устройства имеют небольшой КПД (до 80%), но при этом просты в техническом плане и стоят недорого. Такие устройства не получится использовать для потребителей большой мощности.

Из вышеперечисленного можно сделать вывод, что источник питания для светодиодов следует выбирать очень тщательно. Примером может послужить люминесцентная лампа, на которую подается ток, превышающий норму на 20%. В ее характеристиках практически не произойдет изменений, а вот работоспособность светодиода уменьшится в несколько раз.

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 светодиодах

Понятное 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 .

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 временны е 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 отступление

Обратноходовый 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.

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.

Главная » Фундамент » Подключение светодиодов через стабилизатор тока. В чем отличие блока питания от драйвера для светодиодов: теория и практика, всё что нужно знать Источники тока для светодиодных светильников