високої

У цій статті я детально описую, як створити драйвер для світлодіодів великої потужності, аналізуючи багато питань, пов’язаних з цим типом пристроїв.

Усі статті, які я опублікував до цього часу на тему світлодіодів, стосуються звичайних світлодіодів із високою світністю, тобто тих, які працюють зі струмами 20 мА і з досить низькою потужністю, від 0,03 до 0,08 Вт (відповідно до характерної напруги кожного модель).

Після відкриття матеріалів, що дозволили розробляти білі світлодіоди, можливість їх використання в освітленні спонукала виробників розробляти щодня все більш потужні моделі. Хоча світлодіоди все ще не здатні замінити загальні лампи у всіх випадках, ця мета дуже близька.

12V пляма з одинарним світлодіодом на 5 Вт

На жаль, ці результати не є безболісними: світлодіоди є дуже делікатними компонентами і не дуже стійкими до неприємних умов праці. Прагнення виробників світлодіодів запропонувати зручну альтернативу лампам розжарювання спонукає їх випускати моделі, які працюють на межі своїх можливостей.

Тому, коли ми працюємо з ними, уважно стежте за «лікуванням», яке ми їм надаємо. Є дві основні умови, які необхідно враховувати: струм, який проходить через світлодіод, і температура, що розсіюється. На відміну від ламп з ниткою розжарювання, які особливо не страждають від високої температури (нитка розжарювання, щоб давати світло, повинна бути нагріта), в світлодіодах світло виробляється безпосередньо при проходженні електрики, а тому тепло є вторинним явищем і небажаним (як і у всіх напівпровідників ). Температура знижує ефективність світлодіода, робить його віком, а надлишок може пошкодити його або зменшити термін його служби. Я нагадую читачам, що світлодіоди не є вічними, з часом їх світловий коефіцієнт корисної дії поступово зменшується, і, як правило, він вважається світлодіодом в кінці свого терміну експлуатації, коли світло, яке він випромінює, на 50% менше, ніж світло, що виробляється, коли воно нове. На щастя, це відбувається через тисячі годин використання (в деяких випадках більше 50 000 годин).

5 Вт світлодіодні

Повертаючись до теми струму, із загальними світлодіодами високої яскравості 20 мА, найпростішим і найдешевшим способом регулювання струму є використання резистора, як ми бачили в більшості попередніх статей. У світлодіодів більшої потужності, хоча якщо в теоретичній лінійці можна продовжувати використовувати резистори, є дві проблеми: перша - це надлишок потужності (і тепла), що розвивається в резисторах, друга проблема - через допуск компонентів і напруга живлення може привести струм до значень, які можуть пошкодити або передчасно зістарити світлодіоди.

Ландшафт потужних світлодіодів дуже складний і мінливий. Щоб збільшити потужність, багато разів виробники будують світлодіоди, що складаються з декількох простіших світлодіодів, розміщених на одній і тій же підкладці (з'єднаних послідовно і паралельно). У будь-якому випадку, з простими світлодіодами живлення та пороговою напругою між 3 В та 3,6 В є два широко використовувані значення струму: 300 мА та 600 мА, ми говоримо про світлодіоди 1 Вт та 2 Вт відповідно.

Без необхідності знати, як вони побудовані, нам принципово достатньо знати струм, який їм потрібен, і менш точно, порогову напругу таким чином, щоб використовувати більш високу напругу, щоб світлодіод загорявся.

1 Вт Luxeon Led

Як правило, є два способи живлення світлодіодів високої потужності: регулювання послідовного струму або за допомогою перетворювачів постійного струму постійного струму ("перетворювач доларів" або "перетворювач посилення" залежно від конфігурації). Незважаючи на те, що перетворювачі постійного струму набагато ефективніші з точки зору продуктивності (90% і більше), їх реалізація є більш складною і вимагає багатьох компонентів, які не так просто знайти, таких як котушки, які служать для генерації вихідної напруги. Ще однією вадою перетворювачів постійного струму є постійний термін служби, який часто коротший у порівнянні зі світлодіодами, які вони постачають.

На даний момент привілейоване найпростіше рішення, у цій статті я опишу систему першого типу, тобто послідовний регулятор струму. Проект насправді простий і призначений для використання в автономному режимі або підключення до змінної системи управління типу ШІМ, про що я розповім у наступній статті.

Запропонована модель

Регулятори струму можуть бути виготовлені різними способами: з транзисторами, з силовими транзисторами або з лінійними регуляторами напруги, підключеними певним чином. Всі вони використовують один і той же принцип роботи: малоцінний резистор послідовно зі світлодіодом (зазвичай його називають шунтом), який «вимірює» струм, що проходить через нього, і керує ланцюгом, що регулює струм.

Модель, яку я пропоную, використовує N-канальний MOSFET як регулятор, оскільки я вважаю її найбільш ефективною і в той же час простою у виконанні. Для тих, у кого в ящику для компонентів немає N-канального мос-транзистора, також може використовуватися силовий транзистор NPN, зберігаючи ту саму друковану схему. Хоча якщо результат буде менш ефективним, це може вивести нас із неприємностей. Схема є типовим джерелом постійного струму і дуже проста у виконанні.

Як це працює?

"Затвор" MOSFET отримує позитивну напругу через резистор 47K і, отже, проводить. Ця провідність включає світлодіод і виробляє падіння напруги на опорі послідовно зі світлодіодом. Якщо струм зростає, падіння напруги також збільшується, і якщо воно перевищує порогову напругу бази транзистора, останній починає проводити, зменшуючи напругу затвора мос-транзистора і, як наслідок, зменшуючи струм на світлодіоді (негативний зворотний зв'язок). Тому сила струму на світлодіоді залежить від значення послідовного резистора. Недоліком цієї схеми є те, що частина споживаної потужності втрачається внаслідок нагрівання в MOSFET. Тож вам потрібно додати до нього радіатор.

Дизайн друкованої схеми та графічний вигляд запропонованого драйвера

Потужність, що розсіюється в MOSFET і загальна продуктивність

Потужність, що розсіюється в MOSFET, залежить від напруги, що падає на нього, і струму, який ми пропускаємо для живлення світлодіода. Тому ми можемо покращити ефективність схеми, знизивши напругу живлення.

Давайте наведемо приклад з цього приводу. Якщо ми підключимо 3 В і 600 мА (2 Вт) до нашої ланцюга живлення 12 В, MOSF розсіюється:

Pfet = (Vpower - Vled - Vres) * Iled = (12V - 3V - 0.6V) * 0.6A = 5 Вт

Якщо замість цього ми використовували джерело живлення 9 В:

Pfet = (Vpower - Vled - Vres) * Iled = (9V - 3V - 0.6V) * 0.6A = 3.24 Вт

Як бачимо, потужність, що розсіюється MOSFET, у другому випадку значно зменшується. Крім того, у першому випадку з 12 В продуктивність схеми є дуже низькою, оскільки через споживаних 7,3 Вт 5 Вт втрачається у вигляді тепла на мос-транзисторі. У будь-якому випадку, потрібна напруга не завжди доступна для зменшення потужності, що розсіюється MOSFET. Якщо у нас є лише 12 В, ми можемо вдосконалити систему, підключивши послідовно 2 або 3 світлодіоди (залежно від напруги кожного з них). Наприклад, використовуючи 3 світлодіоди 3 В та 600 мА:

Pfet = (Vpower - Vled1-Vled2-Vled3-Vres) * Iled = (12V-3V-3V-3V-0.6V) * 0.6A = 1.44 Вт

Іншими словами, майже все споживання схеми використовується світлодіодами, тоді як мінімальна частина втрачається в MOSFET. Висновок простий: зручно подавати на ланцюг напругу трохи вище суми порогових напруг підключених світлодіодів.

Драйвер, що керує світлодіодом на 1 Вт

Питання виникає закономірно: наскільки мало вище? Ну, якби напруга живлення дорівнювала сумі порогових напруг підключених світлодіодів, схема перестала б працювати, оскільки MOSFET не є ідеальним компонентом, і на нього падає мінімальна напруга. До цього додається напруга 0,6 В, яка падає на послідовний опір і дозволяє регулювати струм. Я безпосередньо перевірив запропоновану схему, і мінімальна напруга, необхідна для її коректної роботи, становить 2,5 В вище напруги світлодіода (або світлодіодів, підключених послідовно). Для більшої безпеки я рекомендую 3В.

Як ми регулюємо струм?

Як ми вже говорили, сила струму, яку ми отримуємо для живлення світлодіода, залежить лише від значення послідовного резистора, і його значення можна обчислити за допомогою цієї простої формули:

Якщо, наприклад, ми хотіли пропустити струм через наш світлодіод (або світлодіоди) 0,3 А (або 300 мА):

R = 0,6 В/0,3 А = 2 Ом

Якщо ми хотіли пропустити струм через наш світлодіод (або світлодіоди) 0,6 А (або 600 мА):

R = 0,6 В/0,6 А = 1 Ом

Струм (в амперах) подається водієм опором 1,8 Ом

Через малі допуски компонентів фактичний струм може дещо відрізнятися. Наприклад, у прототипі для отримання струму 0,3 А мені довелося підключити 1,8-омний резистор замість 2-омного. Через те, що в торгівлі не існує багатьох значень проміжного опору, може знадобитися апроксимувати значення вручну, послідовно та паралельно підключаючи резистори.

На скільки розсіюється опір?

Серійний опір розсіюється досить мало. Наприклад, у нашому випадку 0,6А:

Прес = I * Vres = 0,6А * 0,6 В = 0,36 Вт

Щоб мати хороший запас роботи з різними значеннями струму, я пропоную підключити резистор потужністю 1 Вт (або менше у випадку 2 або більше резисторів, підключених для приблизної справедливої ​​вартості струму).

Яку максимальну потужність ми можемо контролювати?

Ілюстративна схема підключення драйвера до двох світлодіодів по 1 Вт кожен.

Насправді наша схема може працювати з набагато більшими струмами, ніж приклади, які ми подали (5А або більше), хоча необхідно буде врахувати деякі аспекти:

  1. зменшити напругу живлення ланцюга до абсолютного мінімуму (лише 3 В вище Vled)
  2. використовуйте послідовний резистор відповідної потужності
  3. додати радіатор до MOSF, який здатний підтримувати температуру "під контролем"

Версія з силовим транзистором

Версія драйвера, яка використовує силовий транзистор замість MOSFET.

Використовуючи той самий принцип роботи, ми можемо замінити MOSF на силовий транзистор NPN. Отриманий результат має нижчу якість, оскільки транзистор потребує набагато більше базового струму по відношенню до MOSFET, а також тому, що мінімальне падіння напруги колектор-емітер є більшим, тому буде потрібно подавати на нього напругу трохи вище 3 В на вище Вледа, необхідного для MOSFET. У будь-якому випадку система працює, і ми можемо вирішити проблему на випадок неприємностей.

Варіант із транзистором NPN BD911 та радіатором з алюмінієвим профілем.

Заміна компонентів

Може бути використаний будь-який тип N-канального Mosfet, який здатний обробляти струм, необхідний для живлення світлодіодів. Можливо, краще вибрати модель із пакетом TO220 для підтримки проекту друкованої плати без необхідності змін. Те саме трапляється у випадку з транзисторною версією, будь-який силовий транзистор з хорошим постійним коефіцієнтом посилення (HFE), а також з пакетом TO220 може замінити MOSFET. Пам'ятайте, що у випадку транзистора необхідно буде замінити резистор 47К на один із значно нижчих значень, наприклад 470 Ом.

Варіант із транзистором NPN BD911 та радіатором з алюмінієвим профілем.

У прототипі я використовував комерційний радіатор. Якщо у вас такого немає, ви можете побудувати його з прямокутним алюмінієвим профілем, як показано на фотографії. Це буде не настільки ефективно, але все одно вирішить проблему для нас.

Вхід управління

Дуже цікава річ пропонованої схеми полягає у можливості регулювання інтенсивності світла через вхід управління, зазначений у конструкціях. Управління повинно бути типу ШІМ (широтно-імпульсна модуляція), досить просто зробити з мікрофоном та за допомогою адаптера рівня, такого як транзистор. У наступній статті я поясню, як його створити.

Версія з N-канальним MOSFET типу IRF530 та комерційним радіатором.

На завершення я кажу вам, що з 3 з цих драйверів я створив контролер RGB для світлодіодів високої потужності, який я запрошую вас переглянути.

До наступного разу!

Зміст цього блогу є оригінальним та перебуває під ліцензією Creative Commons BY_NC_SA