Как стабилизировать постоянный ток для питания светодиода

Драйвер светодиода или стабилизатор тока

Привет, Вы узнаете про стабилизатор тока, Разберем основные ее виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое стабилизатор тока,светодиодный драйвер , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

Драйверы светодиодов применяются для обеспечения питания светодиодов, в частности сверхярких светодиодов, они представляют собой стабилизированный источник тока , преобразовывающий сетевое напряжение в постоянный ток.

Драйверы обеспечивают стабильный ток на нагрузку, в то время как блоки питания обеспечивают постоянное выходное напряжение. Поскольку яркость свечения светодиода зависит от силы протекающего через него тока, а не от напряжения, то для обеспечения максимально равномерного свечения важно обеспечить стабильный ток.

Преимущества светодиодного драйвера перед блоками питания:

• Стабильный ток – это гарантирует постоянный световой поток;
• Максимальная мощность – при использовании драйвера на светодиод подается максимальная допустимая мощность, что позволяет получить максимальную светоотдачу;
• Драйверы потребляют меньше электроэнергии, поскольку нет необходимости использовать ограничивающий резистор .

Драйверы могут быть изготовлены на транзисторах или на ШИМ-контроллерах, большинство моделей реализовано на ШИМ, поскольку такое решение обеспечивает более высокую точность стабилизации тока и схема рассчитана на большие нагрузки. Единственным плюсом драйверов реализованных на транзисторах является низкая цена.

Светодиодные драйверы выпускаются под определенное напряжение:

• 12 В
• 3,7 В
• 7-30 В
• 12/24 В

Наиболее распространенные модели светодиодных драйверов, рассчитанные на ток в 300 и 700 мА. При необходимости вы легко сможете купить светодиодные драйверы, выдающие токи в несколько ампер.

К каждому дайверу подбирается строго соответствующее количество светодиодов определенной мощности, из-за этого их наиболее часто применяют в изделиях, которые изготавливаются промышленным способом, а не в индивидуальных решениях.

Но выпускаются и универсальные дайверы, которые предусматривают использование переменного количества светодиодов, но при условии, что их суммарная мощность не превышает номинальную мощность драйвера, КПД таких драйверов ниже, а цена несколько выше.

Также важным преимуществом светодиодных драйверов являются очень компактные размеры, благодаря чему их можно поместить практически в любой корпус и незаметно разместить в нишах интерьера.

Драйверы для светодиодов классифицируют по типу устройства на линейные и импульсные. Структура и типовая схема драйвера для светодиодов линейного типа представляет собой генератор тока на транзисторе с р-каналом. Такие устройства обеспечивают плавную стабилизацию тока при условии неустойчивого напряжения на входном канале. Они являются простыми и дешевыми устройствами, однако отличаются низкой эффективностью, выделяют при работе много тепла и не могут быть использованы как драйвера для мощных светодиодов.

Импульсные устройства создают в выходном канале ряд высокочастотных импульсов. Их работа основана на принципе ШИМ (широтно-импульсной модуляции), когда средняя величина тока на выходе обуславливается коэффициентом заполнения, т.е. отношением длительности импульса к числу его повторений. Изменение величины среднего выходного тока происходит вследствие того, что частота импульсов остается неизменной, а коэффициент заполнения изменяется от 10-80%.

Благодаря высокому КПД преобразований (до 95%) и компактности устройств, они нашли широкое применение для портативных светодиодных конструкций . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Кроме того, эффективность устройств положительно сказывается на длительности функционирования автономных приборов питания. Преобразователи импульсного типа имеют компактные размеры и отличаются обширным диапазоном входных напряжений. Недостатком этих устройств является высокий уровень электромагнитных помех.

Диммируемые драйверы для светодиодов

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

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

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

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

Схемы драйверов для светодиодов

Многие производители выпускают для светодиодов микросхемы драйверов, позволяющие запитывать источники от пониженного напряжения. Все существующие драйверы делят на простые, выполненные на базе от 1-3 транзисторов и более сложные с использованием специальных микросхем с широтно-импульсной модуляцией.

Схема драйверов для светодиодов на 1W

Компания ON Semiconductor предлагает в качестве основы для драйверов широкий выбор микросхем. Они отличаются приемлемой стоимостью, отличной эффективностью преобразования, экономичностью и низким уровнем электромагнитных импульсов. Производителем представлен драйвер импульсного типа UC3845 с величиной тока на выходе до 1А. На такой микросхеме можно реализовать схему драйвера для светодиода 10W.

Электронные компоненты HV9910 (Supertex) являются популярной микросхемой для драйверов, благодаря простому схемному разрешению и невысокой цене. Она имеет встроенный регулятор напряжения и выводы для осуществления управления яркостью, а также вывод для программирования частоты переключений. Выходное значение тока составляет до 0,01А. На данной микросхеме возможно воплотить простой драйвер для светодиодов.

На базе микросхемы UCC28810 (пр-во компании Texas Instruments) можно создать схему драйвера для мощных светодиодов. В такой схеме LED-драйвера может создаваться выходное напряжение величиной 70-85В для светодиодных модулей, состоящих из 28 LED-источников током 3 А.

Полезный совет! Если вы планируете купить сверхяркие светодиоды мощностью 10 Вт, для конструкций из них можно использовать импульсный драйвер на микросхеме UCC28810.

Схема подключения мощного светодиода

Компания Clare предлагает создание простого драйвера импульсного типа на основе микросхемы CPC 9909. Она включает контроллер преобразователя, размещенного в компактном корпусе. За счет встроенного стабилизатора напряжения допускается питание преобразователя от напряжения 8-550В. Микросхема CPC 9909 позволяет эксплуатировать драйвер в условиях широкого разброса температурных режимов от -50 до 80°С.

Расчет драйверов для светодиодов

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

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

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

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

Схема драйвера для светодиодов своими руками на базе PT4115

Схемы драйвера для питания LED-приборов рассеивающей мощностью 3 Вт могут быть исполнены в двух вариантах. Первый предполагает наличие источника питания напряжением от 6 до 30В. В другой схеме предусмотрено питание от источника переменного тока напряжением от 12 до 18В. В этом случае в схему введен диодный мост, на выходе которого устанавливается конденсатор . Он способствует сглаживанию колебаний напряжения, емкость его составляет 1000 мкФ.

Полезный совет! Следует обязательно учитывать, что подключение драйвера для светодиодов в отсутствие входного конденсатора не разрешается.

Учитывая количество и то, сколько потребляют светодиоды, рассчитывается индуктивность (L). В схеме светодиодного драйвера следует подбирать индуктивность, величина которой 68-220 мкГн. Об этом свидетельствуют данные технической документации. Можно допустить небольшое увеличение значения L, однако следует учесть, что тогда снизится КПД схемы в целом.

Как только подается напряжение, величина тока при прохождении его через резистор RS (работает как датчик тока) и L будет нулевая. Далее, CS comparator анализирует уровни потенциалов, находящихся до резистора и после него – в результате появляется высокая концентрация на выходе. Ток, идущий в нагрузку, нарастает до определенного значения, контролируемого RS. Ток увеличивается в зависимости от значения индуктивности и от величины напряжения.

Схема драйвера для светодиодов с использованием PT4115

Сборка компонентов драйвера

Компоненты обвязки микросхемы РТ 4115 подбираются с учетом указаний производителя. Для CIN следует применять низкоимпедансный конденсатор (конденсатор с низким ESR), так как применение других аналогов негативно скажется на эффективности драйвера. Если устройство будет запитано от блока со стабилизированным током, на входе понадобится один конденсатор емкостью от 4,7 мкФ. Его рекомендуется разместить рядом с микросхемой. Если ток переменный, потребуется ввести твердотельный танталовый конденсатор, емкость которого не ниже 100 мкФ.

В схему включения для светодиодов 3 Вт необходимо установить катушку индуктивности на 68 мкГн. Она должна располагаться как можно ближе к выводу SW. Можно сделать катушку самостоятельно. Для этого потребуется кольцо из вышедшего из строя компьютера и обмоточный провод (ПЭЛ-0,35). В качестве диода D можно использовать диод FR 103. Его параметры: емкость 15 пФ, время восстановления 150 нс, температура от -65 до 150°С. Он может справиться с импульсами тока до 30 А.

Минимальная величина резистора RS в схеме светодиодного драйвера составляет 0,082 Ом, ток – 1,2 А. Чтобы рассчитать резистор, необходимо использовать значение тока, необходимого для светодиода. Ниже приведена формула для расчета:

RS = 0,1 / I,

где I – номинальная величина тока LED-источника.

Низковольтный драйвер на микросхеме

Величина RS в схеме светодиодного драйвера составляет 0,13 Ом, соответственно значение тока – 780 мА. Если такой резистор не удается отыскать, можно использовать несколько низкоомных компонентов, используя при расчете формулу сопротивления для параллельного и последовательного включения.

См. также

• ШИМ-контроллер
• Светодиод
• токоограничивающий резистор

На этом все! Теперь вы знаете все про стабилизатор тока, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое стабилизатор тока,светодиодный драйвер и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры

В чем отличие драйвера от блока питания и трансформатора

Большинство потребителей электрической энергии работают от сети переменного тока 220 В, но для многих современных светотехнических устройств нужны особые источники питания, обеспечивающие пониженное переменное или постоянное напряжение, или стабильный ток. Для создания необходимых условий эксплуатации низковольтных потребителей служат: электронный трансформатор, блок питания, драйвер. Важно правильно определить, какое из устройств выбрать в определённой ситуации, ведь от этого зависит, насколько качественно и долго будет служить оборудование. Рассмотрим свойства каждого преобразователя отдельно и чем отличается драйвер от блока питания и трансформатора.

• Электронный трансформатор
• Блок питания постоянного тока
• Драйвер

Электронный трансформатор

Самый простой источник питания – трансформатор. В его функции входит повышение или понижение сетевого напряжения.

И у электронного, и у обычного трансформатора на выходе переменный ток, но в чем их отличие? В том, что электронные работают на высокой частоте, значительно превышающей сетевые 50 Гц, а именно десятки килогерц. Это позволило уменьшить их массу и габариты.

Электронные трансформаторы используют для питания галогенных ламп на 12 В или 24 В.

Если подключить такие лампочки непосредственно в электрическую сеть — они сгорят. Но, если галогеновая лампа рассчитана на 220 В, тогда понижающий трансформатор не нужен. Устройство включается напрямую в сеть.

Данный вид преобразователя не подходит для светодиодных ламп и светильников. Но простота и дешевизна устройства позволила широко применять его для подключения галогенных ламп.

При выборе прибора необходимо учесть:

• напряжение на выходе (должно соответствовать номинальному показателю подключаемого прибора);
• номинальную мощность (если к источнику питания подключаются параллельно несколько галогенных ламп, суммируется мощность каждой).

Размещают такой электронный преобразователь в непосредственной близости к питаемым лампочкам, чтобы он при этом не перегревался и обеспечивалась естественная вентиляция. При монтаже локальной подсветки допускается его крепление за подвесными потолками, перегородками, в шкафах. Запрещается включать трансформатор без нагрузки, да и большинство моделей при этом просто не запустится.

Блок питания постоянного тока

Блок питания постоянного тока является прибором для понижения переменного напряжения из электросети до требуемого значения, и преобразование его в постоянное.

Такие БП используют для светодиодных лент и для светодиодных ламп на 12В. Будет ошибкой использовать трансформатор для их питания, так как это может снизить срок службы, а также приведет к мерцанию светового потока.

Как известно, для работы светодиодов нужен стабильный ток. Но такие блоки питания стабилизируют только напряжение. Для этого в LED-ленте, например, используют токоограничительные резисторы. Но эффективно такое решение только для маломощных диодов.

Драйвер

Для подключения мощных светодиодов, используемых в точечных светильниках, в прожекторах, уличных фонарях, используют драйвер.

Это устройство является источником постоянного стабилизированного тока. При подключении к нему нагрузки напряжение может меняться, но сила тока будет иметь четко определённую величину.

Почему же для подключения светодиодов применяют драйвер, а не блок питания?

Одной из характеристик светодиодов является падение напряжения. Если в характеристиках полупроводникового прибора имеется запись — 300 миллиампер и 3.3 вольт, это означает, что номинальный ток для устройства составляет 300 мА, а падение напряжения – 3.3 В. И если питать его стабилизированным током такой величины, то будет служить долго и светить ярко.

Из графика вольтамперной характеристики видно, что даже незначительное увеличение напряжения, приведёт к ощутимому возрастанию тока. И это не прямо пропорциональная зависимость, а приближенная к квадратичной.

Можно было бы предположить, что, выставив точное напряжение один раз, удастся навсегда установить значение номинального тока, необходимого для работы LED-источника света. Но у каждого экземпляра уникальные параметры и свойства, и при соединении нескольких штук параллельно или последовательно результат будет непредсказуемым.

Кроме того, на них оказывает влияние температура окружающей среды. Дело в том, что у светодиодов отрицательный температурный коэффициент напряжения (ТКН). Это значит, что при нагреве падение на светодиоде уменьшается, а ток повышается, если приложено стабилизированное, неизменяющееся напряжение. У драйверов выходное напряжение изменяется в зависимости от нагрузки и её состояния, и происходит стабилизация тока.

Поэтому, если при подключении светодиода использовать обычный БП на 12V постоянки, то светильник работать будет, но срок сократится. Чтобы правильно выбрать драйвер, нужно принять во внимание его основные технические характеристики:

• номинальный ток на выходе;
• максимальную мощность;
• минимальную мощность.

Иногда параметры для устройства указываются в другом виде. Например, технические характеристики драйвера 18-34В 650 мА (20 Вт):

• входное напряжение 85-277 В,
• выходное напряжение 18-34 В,
• выходной ток 650 мА.

То есть он подходит для светодиодной матрицы с характеристиками: мощность — 20 Вт, напряжение – 18-34 В, рабочий ток – 650-700 мА или для 6-10 светодиодов, мощностью 2 Вт.

LED-светильники подключаются к драйверу последовательно, так как в этом случае через все элементы будет течь один и тот же ток. Если их подключить параллельно, то может оказаться, что какой-то из элементов будет перегружен, в то время как другой будет работать не на полную мощность.

Чтобы не превысить максимально допустимую нагрузку преобразователя, не рекомендуется увеличивать количество светодиодов в цепи.

Выбор драйвера осуществляется по току, который потребляют светодиоды. Например, диоду с мощностью 1 Вт нужны 300 – 350 мА.

У этого вида источников питания имеет такие недостатки, как:

• узкая специализация на светодиодах;
• возможность использования только для определённого количества LED источников.

То есть, для каждого устройства осуществляется подбор определенного количества светодиодов. Если в процессе работы, один из них выйдет из строя, то цепь разорвется и драйвер уйдет в защиту (или сгорит), так как последние не работают в режиме холостого хода.

В заключение отметим, что несмотря на то что драйвер, блок питания и электронный трансформатор служат для подключения низковольтных потребителей, это совершенно разные устройства, отличающиеся друг от друга по назначению. Важно понимать, в каких случаях каждый из них применяется. Ведь только правильно подобранный источник питания сможет создать оптимальные условия эксплуатации для вашего оборудования.

Принцип работы источников питания

Почти полуторавековая «эра» применения ламп накаливания в настоящее время подходит к концу. На смену им на короткое время сначала пришли энергосберегающие люминесцентные лампы, а в последнее время все более прочные позиции занимают светодиодные светильники.

К сожалению, принципы питания электрических ламп накаливания настолько укоренились в массовом сознании, что механически переносятся и на светодиодные светильники. Однако, если лампу накаливания достаточно подключить к соответствующему напряжению, неважно, переменного или постоянного тока, чтобы она светила, то светодиодам требуются источники питания с особыми характеристиками, которые мы сейчас и рассмотрим.

Светодиод представляет собой полупроводниковый кристалл, состоящий из двух зон, одна из которых содержит свободные электроны, а другая — «дырки». Свечение возникает при рекомбинации электронов и «дырок» в области перехода между этими двумя зонами. Яркость свечения в первом приближении пропорциональна силе протекающего через него тока.

А как же быть с напряжением? Ведь лампы накаливания способны светить при самых разных величинах питающего напряжения — от долей вольта до нескольких тысяч вольт, лишь бы сопротивление спирали соответствовало нужному значению в соответствии с законом Ома. Оказывается, никак! P-N-переход — структура, обладающая фиксированным порогом, при котором возникает излучение света и зависящем только от материала кристалла и технологии его изготовления. Для светодиодов разного цвета он составляет от 1,6 В (инфракрасные и красные) до 4,4 В (ультрафиолетовые) — Рис. 1. Зависимость падения напряжения на P-N-переходе светодиодов разного цвета от силы протекающего через них тока

Наиболее часто применяемые для освещения белые светодиоды (на самом деле они либо синие, либо ультрафиолетовые, покрытые люминофором, переизлучающим свет в видимом диапазоне), имеют падение на P-N-переходе порядка 3…3,3 В. Таким образом, светодиоды, в принципе, являются низковольными источниками света, к тому же требующими для своего питания постоянный ток. К относительно высокому напряжению их можно подключать, лишь соединив несколько светодиодов последовательно в «гирлянду».

Как видно из Рис. 1, пока напряжение через P-N-переход светодиода не достигло порога открывания, ток через него практически не протекает и свет не излучается вообще! Как только переход открылся и через него начал протекать ток, начинается свечение. При этом минимальное приращение напряжения на P-N-переходе ведет к драматическому повышению тока через него (линия вольт-амперной характеристики идет почти вертикально). Если же при этом учесть, что протекание тока через светодиод вызывает его нагрев, при котором падение напряжения на P-N-переходе снижается, то очевидно, что при питании светодиодов стабильным напряжением ток через них будет все время возрастать, пока выделяющееся на кристалле тепло не превысит максимально допустимое значение и он не разрушится от теплового пробоя. Особенно критичен данный эффект для мощных светодиодов (0,5…1…2…5 Вт), которые по определению выделяют достаточно много тепла.

Поэтому светодиоды следует питать не стабильным напряжением, а стабильным током! А падение напряжения на P-N-переходе будет таким, какое уж получится при данном токе и температуре кристалла. Таким образом, источники питания для светодиодов (их еще называют «драйверами», т.е. «водителями») являются стабилизаторами тока.

Поскольку мы здесь рассматриваем только сетевые источники питания, то опустим особенности конструкции низковольтных светодиодных лент и светодиодных фонариков.

По принципу стабилизации выходного тока светодиодные драйверы, питающиеся от сети переменного тока напряжением 230 В (с 2014 г. действует ГОСТ 32144-2013, в котором это напряжение задекларировано вместо привычных 220 В), можно подразделить:

— на базе реактивного сопротивления балластного конденсатора
— на базе импульсных преобразователей входного переменного напряжения в постоянный выходной ток

Конденсаторный драйвер является самым простым по конструкции, но в то же время и с самыми отвратительными характеристиками излучаемого света. Поскольку на частоте 50 Гц через балластный конденсатор протекает примерно 70 мА тока на каждую микрофараду емкости, то очевидно, что для питания даже одноваттных светодиодов током до 350 мА, потребуется емкость порядка 4…5 мкФ. Габариты такого конденсатора будут чрезмерно большими, а пульсации яркости светильника с таким драйвером — неприемлемо высокими.

Рис. 2 Пульсации яркости светодиодной лампы с конденсаторным драйвером, фиксируемые камерой смартфона (горизонтальные чередующиеся темные и светлые полосы)

У конденсаторных драйверов есть еще оно крайне неприятное свойство. При подаче питания на пике синусоиды сетевого напряжения импульс тока через конденсатор намного превышает допустимый для светодиодов, вызывая их электрический пробой.

На Рис. 3 приведены фото двух светодиодных ламп. Слева — с конденсаторным драйвером и справа – с полупроводниковым преобразователем. Как видно, пульсации яркости левой лампы с частотой сети не позволяют отнести ее к категории полезных для глаз.

Таким образом, задачей драйвера, предназначенного для питания светодиодных светильников, является формирование стабильного тока через них, при напряжении, соответствующем текущему падению на цепочке светодиодов.

По принципу связи с питающим сетевым напряжением транзисторные драйверы можно подразделить на изолированные, в которых выходные клеммы подачи напряжения на светодиоды (т.н. «холодная» часть), никак не связаны гальванически со входными цепями («горячая» часть) и неизолированные, в которых выходные клеммы тоже «горячие», т.е. гальванически соединены со входными. Драйверы первого типа предназначены для светильников, эксплуатирующихся под открытым небом и подвергающихся всем воздействиям непогоды (сырость, туман, дождь, снег и т.п.), а также в сырых помещениях и в ручных светильниках. Драйверы второго типа можно использовать в стационарных светильниках, размещаемых в помещениях с низкой влажностью, если не предусматривается прикосновения к ним руками. Конечно, и в этих случаях можно использовать драйверы первого типа, если устраивает их цена (первые, как правило, дороже вторых).

Опциональным (необязательным, но весьма желательным) узлом драйверов, а для светильников мощностью 20 Вт и более — обязательным, является корректор коэффициента мощности (ККМ или англоязычный термин —Power Factor Corrector, PFL). Он существенно снижает влияние выпрямителя с емкостным фильтром на форму сетевого напряжения (Рис. 4).

Рис. 4 Искажения формы сетевого напряжения из-за влияния выпрямителя
с емкостным фильтром без корректора коэффициента мощности

Высокопроизводительный ККМ с хорошими параметрами выполняется на специализированных микросхемах. Рекомендуемый иногда (с целью удешевления) пассивный диодно-конденсаторный ККМ (Рис. 5) увеличивает уровень пульсаций выпрямленного сетевого напряжения, а следовательно, пульсаций яркости светильников и для глаз также не полезен.

На входе преобразователя обычно размещается сетевой противопомеховый конденсаторно-дроссельный фильтр (Рис. 6), главной задачей которого является отнюдь не защита самого преобразователя, а наоборот — предотвращение проникновения импульсных помех, формируемых преобразователем, в сеть, поскольку они могут привести к сбоям некоторых электронных устройств (модемы, телефоны и т.п.). В состав ККМ он обычно входит по умолчанию (Рис. 6).

Важным параметром источников питания светодиодных светильников является мощность, которую они могут обеспечить на светодиодах. Не углубляясь в обсуждение принципиальной разницы между вольт-амперами (В˖А) и Ваттами (Вт) и учитывая, что на каждом P-N-переходе падает 3…3,3 В, можно прикинуть, что светодиод мощностью один ватт потребляет ток, равный 0,3…0,35 А. Двухваттный — соответственно, 0,6…0,7 А и т.д. Мощность светодиодов, соединенных последовательно, суммируется, а поскольку на каждом из них падают те же 3…3,3 В, то суммируется и падение напряжения на их цепочке, тогда, как ток через нее остается неизменным, независимо от количества последовательно включенных светодиодов. Указанные токи являются максимально допустимыми при длительной (непрерывной) работе, разогревая кристалл светодиода до достаточно высоких температур. Практически для работы выбирают примерно 80 % от максимального значения допустимого тока. Яркость свечения при этом падает незначительно (практически незаметно для глаз), а вот нагрев — существенно, продлевая срок функционирования светодиодов.

Хотя выше было указано, что выходное напряжение источника питания светодиодных светильников является вторичным и некритичным параметром, вместе с тем, его следует учитывать при выборе драйвера. Если в техническом описании указано, что он способен обеспечить на выходе 15…115 В, то значит, что к такому драйверу можно подключить от 5 до 36 светодиодов, соединенных последовательно в одну цепочку (3…3,3 В ˖ 5…36 = 15…118 В).

Размеры драйвера хоть и являются второстепенным параметром, однако, могут сыграть определенную роль в конструкции светодиодных светильников, обеспечивая их миниатюризацию.

В заключение хотелось бы развеять широко распространенное заблуждение о необходимости защиты выхода светодиодного драйвера от короткого замыкания. Для стабилизаторов напряжения справедлива редакция формулы закона Ома:

где: I — ток нагрузки, U — выходное напряжение, R — сопротивление нагрузки.

При R, стремящемся к бесконечности (отсутствие нагрузки), выходной ток I стремится к нулю независимо от значения выходного напряжения U. И наоборот, при коротком замыкании (К.З.) выхода (R → 0) выходной ток стремится к бесконечности. Естественно, такой аварийной ситуации следует избегать, вводя в схему узел защиты от превышения выходного тока.

Для светодиодных драйверов, являющихся стабилизаторами тока, действует другая редакция формулы закона Ома:

Исходя из нее, видим, что при стремящемся к нулю сопротивлении нагрузки, к нулю стремится и выходное напряжение, независимо от установленного тока. Это значит, что режим К.З. их выхода (в отличие от стабилизаторов напряжения) является штатным. Иными словами, выходной ток больше того, на который настроен драйвер, не будет превышен никогда! А вот обрыв нагрузки, при котором ее сопротивление стремится к бесконечности, ведет к такому же, стремящемуся к бесконечности, росту выходного напряжения. Поскольку идеальных компонентов не бывает, это напряжение «найдет себе дорогу», разрушив (пробив) выходные цепи драйвера (Рис. 7). Поэтому светодиодный драйвер обязательно должен быть защищен от аварийного обрыва нагрузки, который является намного более вероятным, чем К.З.

Рис. 7 Разрушение сетевого драйвера светодиодного светильника
вследствие обрыва цепочки питаемых им светодиодов

Электрооборудование, выполненное непрофессионалами не сможет должным образом обеспечить надёжную работу ваших светодиодных светильников. Покупайте продукцию только у проверенных производителей.

Подключение светодиодов через стабилизатор тока

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.

1. Назначение и принцип работы
2. Обзор известных моделей
3. Стабилизатор на LM317
4. Регулируемый стабилизатор
5. Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками
6. Какой стабилизатор использовать в авто
7. Вывод

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, как подключить светодиод от сети 220 вольт). 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 здесь.

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, как подключить светодиодную ленту в авто). 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 светодиодного драйвера.

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.