драйвер

В тази статия описвам подробно как да изградя драйвер за светодиоди с висока мощност, анализирайки много въпроси, свързани с този тип устройства.

Всички статии, които публикувах досега по темата за светодиодите, се отнасят до често срещани светодиоди с висока яркост, тоест тези, които работят с токове от 20mA и с доста ниски мощности, между 0,03 и 0,08 вата (според характерното напрежение на всеки модел).

След откриването на материалите, които направиха възможно разработването на бели светодиоди, възможността за използването им при осветление накара производителите да разработват все по-мощни модели всеки ден. Въпреки че светодиодите все още не са способни да заменят обикновените лампи във всички случаи, тази цел е много близка.

12V място с единичен 5 вата светодиод

За съжаление, тези получени резултати не са безболезнени: светодиодите са много деликатни компоненти и не са много устойчиви на неприятни условия на работа. Желанието на производителите на светодиоди да предложат удобна алтернатива на лампите с нажежаема жичка ги подтиква да произвеждат модели, които работят до краен предел на възможностите си.

Ето защо, когато работим с тях, е препоръчително да обърнем голямо внимание на „лечението“, което им предоставяме. Трябва да се вземат предвид две основни условия: токът, който преминава през светодиода, и температурата, която той разсейва. За разлика от лампите с нажежаема жичка, които не страдат особено от висока температура (нажежаемата жичка, която дава светлина, трябва да се нагрява), при светодиодите светлината се произвежда директно от преминаването на електричество и следователно топлината е вторично явление и нежелана (както при всички полупроводници ). Температурата намалява ефективността на светодиода, застарява го и излишъкът от него може да го повреди или да намали полезния му живот. Напомням на читателите, че светодиодите не са вечни, с течение на времето тяхната светлинна ефективност намалява постепенно и като цяло се счита за светодиод в края на полезния си живот, когато светлината, която излъчва, е с 50% по-малка от светлината, произведена, когато е нова. За щастие това се случва след хиляди часове употреба (в някои случаи над 50 000 часа).

5 вата LED

Връщайки се към въпроса за тока, с често срещаните 20mA светодиоди с висока яркост, най-простият и евтин начин за регулиране на тока е използването на резистор, както видяхме в повечето от предишните статии. При светодиодите с по-голяма мощност, макар че ако в теоретичната линия е възможно да продължите да използвате резистори, има два проблема: първият е излишната мощност (и топлина), който се развива в резисторите, вторият проблем се дължи на толеранса на компоненти и захранващото напрежение могат да доведат тока до стойности, които могат да повредят или преждевременно състарят светодиодите.

Пейзажът на мощните светодиоди е много сложен и променлив. За да увеличат мощността, много пъти производителите изграждат светодиоди, съставени от няколко по-прости светодиода, поставени върху една и съща основа (свързани последователно и паралелно). Във всеки случай, с обикновени светодиоди за захранване и прагово напрежение между 3V и 3.6V, има две широко използвани стойности на тока: 300mA и 600mA, говорим съответно за 1 вата и 2 вата светодиоди.

Без да е необходимо да знаем как са изградени, за нас е достатъчно фундаментално да знаем тока, от който се нуждаят, и по по-неточен начин, праговото напрежение по такъв начин, че да използваме по-високо напрежение, така че светодиодът да светне.

1 ват Luxeon Led

Като цяло има два начина за захранване на светодиодите с висока мощност: регулиране на серийния ток или чрез използване на DC-DC преобразуватели ("конвертор за понижаване" или "преобразувател за усилване" в зависимост от конфигурацията). Въпреки че DC-DC преобразувателите са много по-ефективни по отношение на производителността (90% или повече), тяхното изпълнение е по-сложно и изисква много компоненти, които не са толкова лесни за намиране, като намотките, които служат за генериране на изходното напрежение. Друг дефект в DC-DC преобразувателите е техният полезен живот, който често е по-кратък в сравнение със светодиодите, които те доставят.

Засега привилегировано най-лесното решение, в тази статия ще опиша система от първи тип, т.е. сериен регулатор на ток. Проектът е наистина прост и е предназначен да бъде използван в самостоятелен режим или свързан към променлива система за управление от типа ШИМ, която ще опиша в бъдеща статия.

Предложеният модел

Регулаторите на ток могат да бъдат направени по различни начини: с транзистори, с мостови транзистори или с линейни регулатори на напрежение, свързани по определен начин. Всички те използват един и същ принцип на работа: резистор с ниска стойност, последователно с led (обикновено се нарича шунт), който "измерва" тока, който преминава през него и контролира веригата, която регулира тока.

Моделът, който предлагам, използва N-канален MOSFET като регулатор, защото го считам за най-ефективен и същевременно лесен за изпълнение. За тези, които не разполагат с N-канален захранващ MOSFET в чекмеджето на компонентите, може да се използва и NPN силов транзистор, като същевременно се поддържа същата печатна схема. Въпреки че ако резултатът е по-малко ефективен, той може да ни избави от неприятности. Веригата е типичен източник на постоянен ток и е наистина лесна за изпълнение.

Как работи?

"Портата" на MOSFET получава положително напрежение през резистора 47K и следователно провежда. Тази проводимост включва светодиода и поражда напрежение над съпротивлението последователно с светодиода. Ако токът се увеличи, спадът на напрежението също се увеличава и ако надвишава праговото напрежение на основата на транзистора, последният започва да провежда, намалявайки напрежението на порта на MOSFET и следователно намалява тока на светодиода (отрицателна обратна връзка). Следователно токът на светодиода зависи от стойността на серийния резистор. Дефектът на тази схема е, че част от консумираната мощност се губи като топлина в MOSFET. Затова трябва да добавите радиатор към него.

Дизайн на печатна схема и изобразителен изглед на предложения драйвер

Мощността се разсейва в MOSFET и цялостната производителност

Разсеената мощност в MOSFET зависи от напрежението, което пада върху него и тока, който предаваме, за да захранваме светодиода. Следователно можем да подобрим ефективността на веригата, като намалим захранващото напрежение.

Нека направим пример по този въпрос. Ако свържем 3V и 600mA (2 вата), доведени до нашата 12V захранвана верига, MOSFET ще се разсее:

Pfet = (V мощност - Vled - Vres) * Iled = (12V - 3V - 0.6V) * 0.6A = 5 вата

Ако вместо това използвахме захранване 9V:

Pfet = (V мощност - Vled - Vres) * Iled = (9V - 3V - 0.6V) * 0.6A = 3.24 вата

Както можем да видим, мощността, разсейвана от MOSFET във втория случай е значително намалена. Освен това, в първия случай с 12V, производителността на веригата е много ниска, тъй като консумираните 7,3 вата, 5 вата се губят под формата на топлина на MOSFET. Така или иначе, правилното напрежение не винаги е на разположение за намаляване на мощността, разсейвана от MOSFET. Ако разполагаме само с 12V, можем да подобрим системата, като свържем последователно 2 или 3 светодиода (в зависимост от напрежението на всеки един). Например, като се използват 3 светодиода от 3V и 600mA:

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

С други думи, почти цялото потребление на веригата се използва от светодиодите, докато минимална част се губи в MOSFET. Изводът е прост: удобно е схемата да се захранва с напрежение, малко по-високо от сумата на праговите напрежения на свързаните светодиоди.

Шофьорът, управляващ 1 вата

Въпросът възниква естествено: Колко малко по-високо? Е, ако захранващото напрежение е равно на сумата от праговите напрежения на свързаните светодиоди, веригата ще спре да работи, защото MOSFET не е идеален компонент и върху него пада минимално напрежение. Към това се добавя напрежението от 0.6V, което пада върху серийното съпротивление и което позволява да се регулира токът. Изпробвах директно предложената схема и минималното напрежение, необходимо за правилната й работа, е 2,5V над напрежението на светодиода (или светодиодите, свързани последователно). За по-голяма сигурност препоръчвам 3V.

Как регулираме тока?

Както казахме, токът, който получаваме за захранване на светодиода, зависи само от стойността на серийния резистор и стойността му може да бъде изчислена чрез тази проста формула:

Ако например искахме да прокараме ток през нашите светодиоди (или светодиоди) от 0,3А (или 300mA):

R = 0.6V/0.3A = 2 ома

Ако искахме да пропуснем ток през нашите светодиоди (или светодиоди) от 0.6A (или 600mA):

R = 0.6V/0.6A = 1 ом

Ток (в ампера), доставян от водача със съпротивление от 1,8 ома

Поради малките допуски на компонентите, действителният ток може да е малко по-различен. Например, в прототипа, за да получа ток от 0,3А, трябваше да свържа 1,8 ома резистор вместо 2 ома. Поради факта, че много междинни стойности на съпротивлението не съществуват в търговията, може да се наложи стойността да се сближи ръчно чрез последователно и паралелно свързване на резистори.

Колко се разсейва съпротивлението?

Последователното съпротивление се разсейва доста малко. Например в нашия случай на 0.6A:

Pres = I * Vres = 0.6A * 0.6V = 0.36 Watt

За да имате добър работен запас с различни текущи стойности, предлагам да свържете 1Watt резистор (или по-малко в случай на 2 или повече резистора, свързани, за да приблизително оцените справедливата стойност на тока).

Каква максимална мощност можем да контролираме?

Илюстративна схема на свързване на драйвера към два светодиода от по 1 ват.

Всъщност нашата схема може да работи с много по-високи токове от примерите, които представихме (5А или повече), въпреки че ще е необходимо да разгледаме някои аспекти:

  1. намалете захранващото напрежение на веригата до абсолютния минимум (само 3V над Vled)
  2. използвайте сериен резистор с подходяща мощност
  3. добавете радиатор към MOSFET, който може да поддържа температурата "под контрол"

Версията със силов транзистор

Версия на драйвера, която използва силов транзистор вместо MOSFET.

Използвайки същия принцип на работа, можем да заменим MOSFET с мощност NPN транзистор. Полученият резултат е с по-лошо качество, тъй като транзисторът се нуждае от много по-голям ток на базата по отношение на MOSFET, а също и защото минималният спад на напрежението колектор-емитер е по-голям, така че ще е необходимо да го захранваме с напрежение малко по-високо от 3V на над Vled, необходим с MOSFET. Така или иначе системата работи и ние можем да разрешим проблема в случай на проблеми.

Версия с транзистор NPN BD911 и радиатор, направени с алуминиев профил.

Подмяна на компоненти

Може да се използва всеки тип N-канален Mosfet, който е способен да обработва тока, необходим за захранване на светодиодите. Може да е по-добре да изберете модел с пакет TO220, за да поддържате проекта си за печатни платки, без да са необходими вариации. Същото се случва и в случая с транзисторната версия, всеки силов транзистор с добър непрекъснат коефициент на усилване (HFE) и също с пакет TO220 може да замени MOSFET. Не забравяйте, че в случая на транзистора ще е необходимо да смените 47K резистора за един с много по-ниска стойност, например 470 ома.

Версия с транзистор NPN BD911 и радиатор, направени с алуминиев профил.

В прототипа използвах търговски радиатор. Ако нямате такъв, можете да изградите такъв с правоъгълен алуминиев профил, както е показано на снимката. Това няма да е толкова ефективно, но така или иначе ще реши проблема за нас.

Контролен вход

Много интересно нещо за предложената схема се състои от възможността за управление на интензивността на светлината чрез контролния вход, посочен в проектите. Управлението трябва да бъде от типа ШИМ (широчинно-импулсна модулация), доста лесно да се направи с микрофон и с адаптер за ниво като транзистор. В бъдеща статия ще обясня как да се изгради такава.

Версия с IRF530 тип N канал MOSFET и търговски радиатор.

За финал ще ви кажа, че с 3 от тези драйвери съм изградил RGB контролер за светодиоди с висока мощност, който ви каня да видите.

До следващия път!

Съдържанието на този блог е оригинално и е под лиценз Creative Commons BY_NC_SA