РазноеСхема драйвера 12в для светодиодов своими руками: 403 — Доступ запрещён – Схемы драйверов светодиодов на PT4115, QX5241 и др. микросхемах с регулятором яркости для диммируемых светодиодных светильников

Схема драйвера 12в для светодиодов своими руками: 403 — Доступ запрещён – Схемы драйверов светодиодов на PT4115, QX5241 и др. микросхемах с регулятором яркости для диммируемых светодиодных светильников

Содержание

РадиоКот :: Сетевой драйвер мощного светодиода

РадиоКот >Схемы >Питание >Преобразователи и UPS >

Сетевой драйвер мощного светодиода

Здравствуйте уважаемые коты. Хочу представить вам схему, которая может использоваться для питания мощных светодиодов. В данной статье постараюсь показать и описать схему, объяснить методику правильной настройки работы с использованием осциллографа.

Покупал себе вот такой светодиод. (На фото я уже прикрутил его к радиатору для охлаждения)

Такие светодиоды есть различной мощности. Данный экземпляр 10W. Рекомендуемый производителем ток 1 Ампер, падение напряжения на нем от 10 до 12 вольт. Поэтому будем собирать импульсный источник питания, рассчитанный на поддержание тока через светодиод в пределах 1 Ампер и напряжение 12 вольт.

Эта же схема успешно может работать и как зарядное устройство для небольших аккумуляторов (к примеру, таких, которые используются в UPS). О том, что нужно изменить в данной схеме для использования ее в качестве зарядного устройства в конце статьи.


Приступим к изучению схемы

 Хотелось бы отметить, что эта схема (как и все обратноходовые блоки питания) не боится короткого замыкания на выходе. Ее можно использовать и как обычный блок питания, исключив их схемы шунт Ri, транзистор VT2, конденсатор C12 и резистор R12, поставив вместо шунта перемычку. И даже тогда схема не боится КЗ – все дело в том, что передача энергии в нагрузку происходит во время обратного хода (в это время силовой транзистор закрыт), а во время прямого хода (даже если на выходе короткое замыкание) ток через транзистор не превысит максимальный, так как микросхема KA3845 (UC3845…) следит за падением напряжения на истоковом резисторе ключа.

 

Принцип работы CC-CV (Constant current, constant voltage).

При включении в сеть ИИП (импульсный источник питания) с малой нагрузкой, напряжение на выходе будет равно 12 вольт (задается делителем на резисторах R10 и R11 в цепи управляемого стабилитрона VD6).

Ограничение выходного тока задается шунтом Ri. При превышении некоторого порога, падения напряжения на этом резисторе хватит для открытия транзистора VT2, который включен, как и TL431, в цепь оптопары PC817, при этом выходное напряжение уменьшается, а значит, уменьшается и ток. Таким образом, происходит стабилизация выходного тока. При сопротивлении резистора Ri 0,6 Ом выходной ток будет равен 1 амперу (на самом деле, возможно, потребуется подбор номинала, так как у деталей может быть отклонение от номинала).

И так вот она эта схема:

Транзистор VT2, на самом деле, не обязательно 2SC1815, просто такие очень часто используются в ATX блоках питания, а многие детали сняты именно с них.

Конденсатор C12 нужен для того, чтобы схема не реагировала на прикосновения к выходным проводам, этот номинал можно изменить – я подбирал минимальную емкость при которой данный эффект исчезает, можно использовать вплоть до 0.1мкФ, но желательно меньше.

Резистор R12 ограничивает ток базы транзистора VT2.

Приступим к изучению принципиальной схемы зарядного устройства.

По входу стоит предохранитель на 1 ампер (думаю, что его предназначение ясно), NTC резистор (для ограничения пускового тока, можно использовать любой с сопротивлением 5-10 Ом). При включении в сеть, пока заряжается конденсатор С1 после диодного моста VDS1, схема потребляет значительный ток, и чтобы его ограничить, нужен NTC резистор. Можно конечно поставить более мощный диодный мост, но это увеличивает габариты и стоимость. Диодный мост у меня RS206, опять же это не обязательно, можно применить любой на ток примерно 2А – ну чтоб с небольшим запасом.

Резистор R1 обеспечивает начальное напряжение питания микросхемы, после запуска она питается с дополнительной обмотки трансформатора. Смотрим на 4 и 8 вывод микросхемы – резистор R3 и конденсатор C5 задают частоту на выходе микросхемы (6 вывод) примерно 110 кГц, именно на нее рассчитываем трансформатор. Стабилитрон VD4 защищает нагрузку от перенапряжения при неисправности ОС (Обратной Связи).

В истоке силового транзистора VT1 стоит резистор R6 сопротивлением 2,2 Ома – о нем расскажу позже.

О цепочке RCD клампера (R7 C13 VD3) также расскажу попозже.

И теперь печатка.

Файл в формате программы Sprint Layout можно скачать в конце статьи.

Открываем нужный файл с помощью программы Sprint Layout 5.0, после открытия можно распечатать печатную плату для повторения конструкции. Маленькая подсказка: При наведении курсором мыши на детали всплывают их номиналы. Размер платы 70мм на 45мм.

Расчет трансформатора велся программой уважаемого Старичка (Starichok51), а именно Денисенко Владимира, его программы есть на форуме. Хочу поблагодарить Владимира за огромную помощь в написании статьи!

Ссылка на тему Программы расчета трансформаторов и дросселей

Для дальнейшей работы нам понадобится программа Flyback с первой страницы темы, поэтому скачиваем ее.

Скриншот расчета трансформатора

Трансформатор – сердечник EE19 (Такие сердечники во многих АТХ блоках имеются, нужно его разобрать и перемотать).

Методов для разбора трансформатора несколько:

Кипячение – опускаем трансформатор в чайник и кипятим, вытаскиваем, пробуем разобрать, если сердечник еще не расклеивается, то процедуру повторяем. Нужно добиться размягчения клея, которым склеены половинки сердечника. При расклеивании не спешим – если не поддается, то сильно ковырять не стоит, так как феррит очень хрупкий.

Замачивание – нужно опустить сердечник в емкость и залить ацетоном, желательно герметичную емкость, чтобы меньше запаха было. Остается ждать — лучше оставлять на ночь, чтобы точно расклеился.

Микроволновка – некоторые разбирают трансформатор, положив его в микроволновку и включив на несколько секунд для разогрева (при этом желательно, чтобы еще стакан с водой рядом был), потом вытаскивают и пробуют разобрать.

P/s метод разборки трансформатора с помощью микроволновки я бы не рекомендовал, есть возможность сжечь ее. Хотя такой метод тоже описывают в интернете и пишут, что проблем нет. Я же его тут указал, чтобы коллекция была полной.

Трансформатор разобрали, теперь нужно намотать под необходимые нужды. Для этого берем программу расчета трансформатора для обратноходового ИИП, называется Flyback – ссылку на тему, где можно скачать смотреть выше.


В программе нужно выбрать необходимый сердечник и указывать

минимальное и максимальное напряжение в сети.

Частота преобразования – я указал 110 кГц (задается резистором R3 и конденсатором С5), Отраженное напряжение можно так и оставить 125 вольт

Максимальное допустимое напряжение на ключе – смотрим даташит на имеющийся транзистор, значение Vdss

Сопротивление канала Rds(on) — смотрим даташит на имеющийся транзистор, значение Rds(on)

Плотность тока – я поставил 5А/мм2 (это значение зависит от условий охлаждения и размеров сердечника. При естественном охлаждении следует выбирать 4-6А/мм2. Если есть искусственная вентиляция, то можно задавать выше, до 8-10А/мм2. Следует учитывать что для маленьких сердечников можно задавать плотность тока выше, а для больших – меньше. Зависит от условия охлаждения обмоток, в больших сердечниках условия охлаждения хуже, поэтому плотность тока нужно выбирать ниже).

Неразрывность тока – лучше задавать равное 0, это соответствует разрывному току.

Диаметр провода первичной обмотки – если поставить галочку “Использовать диаметры проводов”, то при расчете программа будет опираться на данное значение. Сначала эту галочку лучше не ставить, чтобы программа сама рекомендовала диаметр провода. А потом можно подобрать из имеющихся проводов подходящие диаметры взамен рекомендованных.


Вторичные обмотки

Указываем необходимое напряжение, ток, падение напряжение на диоде.

В моем случае:

выходная обмотка питания 12 вольт, 1 ампер, 0,8 вольт

обмотка питания микросхемы 15 вольт, 0,01ампер, 0,8 вольт

 

При нажатии кнопки Рассчитать программа выдает нам следующие данные:

Первичная обмотка — 136 витков проводом 0,18 мм одна жила,

Вторичная обмотка – 14 витков проводом 0,35 мм три жилы (мотается сразу тремя проводами указанного диаметра)

Обмотка питания микросхемы — 18 витков проводом 0,07 мм в одну жилу

 

Диаметр провода можно выбрать немного больше — главное, чтобы при намотке все обмотки поместились в окно сердечника. Программа показывает Коэффициент заполнения окна, при значении до 0,3 провод должен поместиться в окно, но все зависит от того, как будете мотать трансформатор. Витки нужно укладывать плотно, виток к витку. Если мотать не очень аккуратно, то провод может не поместиться, поэтому тут только тренировка…

 

Чтобы была как можно меньше индуктивность рассеяния, с которой потом придется бороться с помощью RCD клампера, мотать трансформатор нужно так: половина первички, вторичка, обмотка питания микросхемы, вторая половина первички. Не забываем про межслойную изоляцию. После намотки нужно выставить зазор сердечника (Если сердечник с зазором по центральному керну, то зазор нужен не менее 0,3 мм – в скриншоте указано, если без зазора в центральном керне, то нужно выставить зазор 0,15 мм по крайним). Самое идеальное решение при подборе зазора – измерять индуктивность первички, и зазором подогнать необходимую величину индуктивности. Не путаем начала и концы обмоток (отмечены точками), для этого нужно мотать все обмотки в одну сторону.

Конденсатор фильтра питания 22мкФ, рекомендованное значение программа расчета также выдает.

Резистор в истоке силового транзистора, по схеме 2,2 Ома – это соответствует току через транзистор 0,45А. Сопротивление резистора = 1 / Амплитуда тока транзистора, (амплитуду смотрим по программе расчета). Если нет подходящего номинала резистора (при условии что будете делать расчет под свои нужды), то можно взять чуть меньше, но сильно не занижаем – помним, что этот резистор ограничивает ток через ключ и его нельзя превышать.

Силовой транзистор VT1 –полевик 2N60, можно применить и другие подходящие по параметрам. Я снимал его также с блока АТХ (в дежурке стоят… иногда там используются биполярники – ищем даташит на имеющийся транзистор, чтобы не воткнуть нечаянно биполярник в эту схему)

Обратная связь – оптопара. У меня pc817 – думаю, найти такую нет проблем.

Выходной диод шотки или любой быстродействующий, рассчитанный на ток выше чем максимально потребляемый нагрузкой и обратным напряжением равным или выше чем Ud обрат. (смотрим в программе расчета). В данной схеме можно использовать что-нибудь типа MBR3100, MBR1660 и т.п. – смотреть, что есть в продаже или в наличии.

Вот мы и намотали и запаяли трансформатор, теперь возьмемся за RCD клампер.

В программе расчета из меню можно вызвать вспомогательную программу расчета RCD клампера.

или

Верхний рисунок в положении переключателя Амплитуда выброса, нижний рисунок в положении Емкость конденсатора.


Остановимся подробнее на полях программы.

Отраженное напряжение – берем из результатов расчета трансформатора

Амплитуда выброса

– желаемое напряжение выброса от энергии, запасенной в индуктивности рассеяния первичной обмотки, над отраженным напряжением

  С правой стороны можно поставить галочку для расчета емкости клампера по заданной амплитуде выброса либо расчет амплитуды выброса по заданной емкости. Амплитуду выброса можно выбирать 100-110 вольт.

Амплитуда тока – амплитуда тока в первичной обмотке, берем из результатов расчета трансформатора

Частота преобразования – лучше вводить реальную частоту преобразования, а не расчетную (при отсутствии возможности измерить частоту можно подставить расчетную, но тогда расчет может быть не совсем точный)

Индуктивность рассеяния – индуктивность рассеяния первичной обмотки, либо измеряем при закорачивании ВСЕХ вторичных обмоток, либо пользуемся предварительными расчетами по периодам свободных колебаний

Эквивалентная емкость — это сумма нескольких емкостей: выходная емкость ключа, емкость первичной обмотки, емкость монтажа, в общем все емкости, которые участвуют в колебательном процессе.

При нажатии кнопки Рассчитать, программа выдаст нам либо емкость конденсатора, сопротивление резистора и мощность рассеиваемую на нем, марку “медленного” диода и сопротивление резистора и мощность рассеиваемую на нем при использовании “быстрого” диода, либо те же данные, но с указанием в результатах амплитуды выброса (Зависит от положения переключателя)

 

Далее рассмотрим нижнюю часть подпрограммы расчета.

Расчет эквивалентной емкости и индуктивности рассеяния

 

Индуктивность L1 – полная индуктивность первичной обмотки трансформатора

Период колебаний по L1 – период свободных колебаний по полной индуктивности первичной обмотки после окончания передачи энергии. Эти свободные колебания можно увидеть только в режиме разрывного тока

Период колебаний по Ls — период свободных колебаний по индуктивности рассеяния первичной обмотки. Этот период следует измерять на том участке, где уже нет клампинга этих колебаний. (На осциллограмме покажу, что это значит)

При нажатии кнопки Рассчитать, программа выдаст нам Индуктивность рассеяния и Эквивалентную емкость. Если выбрать галочку автоперенос результатов в основной расчет, то эти значения автоматом подставятся в необходимые поля.

 

Важное замечание: Величины емкости и сопротивления, которые выдает подпрограмма расчета RCD клампера, могут немного отличаться от действительно необходимых величин для правильной настройки работы клампера. Емкость конденсатора программа рассчитывает довольно таки точно. Если нет необходимого номинала, то можно взять ближайший номинал из стандартного ряда, а вот с резистором все равно придется поработать.

Ну а теперь приступим к изучению осциллограмм, чтобы представлять, что мы должны видеть на приборе и знать, что означает каждая часть осциллограмм для правильной настройки ИИП.


Фото осциллограмм…

Сначала одно важное замечание: все измерения осциллографом проводить относительно плюса питания, чтобы пульсации напряжения на сетевом выпрямителе не размазывали картинку.

 

Чтобы правильно рассчитать и увидеть хорошую осциллограмму нам нужно измерить реальную частоту, на которой работает ИИП.

Вот что у нас получилось с реальной частотой:

На осциллографе положение переключателя 2мкс. В клетке 5 делений, значит одно деление 0,4мкс. Период колебаний почти 27 делений, итого 10,8 мкс. Частота в герцах равна единице, деленой на полученное значение в секундах.
10,8мкс/1 000 000 = 0,0000108 сек. Значит частота = 1/0,0000108 = примерно 92,6кГц

92,6кГц  — запоминаем

Теперь нам еще нужно узнать Период колебаний по L1 – период свободных колебаний по полной индуктивности первичной обмотки. Для более точного измерения я переключил осциллограф в положение 1мкс_100v/дел и измеряем на стоке полевика.

Смотрим следующий рисунок

1,8мкс – запоминаем

 

Период колебаний по Ls — период свободных колебаний по индуктивности рассеяния. Для измерения этого периода пришлось еще растянуть шкалу, я переключил осциллограф в положение 0,2мкс_100v/дел и измерил этот период на стоке полевика.

0,28мкс – запоминаем

Вводим частоту и периоды колебаний в подпрограмму расчета RCD клампера. И видим, что нам предлагает программа. Конденсатор C13 нужен 463пФ — я поставил 470пФ, резистор R7 нужен 131кОм – у меня стоит 150кОм. Отличие настройки клампера от расчетов объясняется приближенностью расчетов. В первую очередь, приближенной оценкой мощности, возвращаемой через «медленный» диод.

на стоке полевого транзистора (осциллограф в режиме 5мкс 100V_дел)


на конденсаторе RCD клампера (осциллограф в режиме 5мкс 100V_дел)

На истоке (осциллограф в режиме 2мкс 1V_дел)


Общая картина видна, теперь для более точного измерения будем растягивать шкалу

 

Осциллограф в режиме 2мкс 100V_дел

Уровень отраженного напряжения

Выброс над отраженным напряжением

Уровень отраженного напряжения по верхним осциллограммам, снятых на стоке полевого транзистора, примерно 125 вольт. Выброс над отраженным примерно 100 вольт. При правильном подборе RCD клампера выброс над отраженным напряжением, снятым на стоке, и на клампере будет одинаков и уровень, до которого разряжается конденсатор (нижний рисунок) должен доходить до полки отраженного напряжения (смотрим осциллограмму выше – отметка уровень отраженного напряжения)

У нас это условие выполняется, значит, можно считать, что ИИП собран и настроен на оптимальный режим работы!

Ну и несколько фотографий собранной платы:

Путем расчета трансформатора и некоторых деталей данную схему можно применить и для других целей. А именно: можно использовать как маломощный блок питания или как зарядное устройство для небольших аккумуляторов с UPS. 

В виду того, что вышла новая версия программы расчета обратноходовых источников питания flyback 7.0 у многих пользователей начались проблемы с расчетом RCD клампера. Причина одна — оставляют пустым поле остаток напряжения после выброса, чтобы таких вопросов не возникало прилагаю следующую осциллограмму

На ней я пометил на уже существующей осциллограмме уровень остаток напряжения после выброса. Осциллограф в режиме 2мкс 100V_дел — считаем: указанная линия примерно 145 вольт, уровень отраженного напряжения примерно 125 вольт, значит для того чтобы узнать остаток напряжения после выброса нужно от 145 вольт вычесть 125 вольт = 20 вольт, вот именно это значение и вводим в поле остаток напряжения после выброса.
А теперь смотрим, что получилось:
В программу расчета Flyback 7.0 я ввел те же значения, что и в младшей версии программы. По расчетам отличий нет (незначительные есть, но они никак не влияют в целом на конструкцию)

Теперь вводим все необходимые данные в расчет RCD клампера

что мы видим? А видим то, что номинал резистора клампера даже еще ближе к установленному мной в данной конструкции!
Хотелось бы еще раз сказать огромное Спасибо Владимиру за его программы!!!
Всем Спасибо и удачи в построении импульсных источников питания!

Продолжение следует (ждем подробную статью по сборке зарядного устройства)

Файлы:
01_pre.jpg Фото светодиода
21_pre.jpg фото 4
19_pre.jpg фото 1
20_pre.jpg фото 2
02_pre.jpg Схема
14_pre.jpg исток
15_pre.jpg клампер 2мкс 100V_дел
13_pre.jpg клампер
16_pre.jpg Уровень отраженного напряжения
08_pre.jpg измерение реальной частоты
05_pre.jpg Скриншот расчета
11_pre.jpg Период колебаний по Ls
10_pre.jpg Период колебаний по L1
08_pre.jpg измерение реальной частоты
12_pre.jpg сток полевого транзистора
17_pre.jpg Выброс над отраженным напряжением
18_pre.jpg выброс и разряд
04_pre.jpg Печатка
02_pre.jpg Схема
06_pre.jpg переключатель в положении Амплитуда выброса
07_pre.jpg переключатель в положении Емкость конденсатора
Печатная плата

Все вопросы в Форум.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Схема драйвера для светодиодной лампы на 220В

Неотъемлемой частью любой качественной лампы или светильника на светодиодах является драйвер. Применительно к освещению, под понятием «драйвер» следует понимать электронную схему, которая преобразует входное напряжение в стабилизированный ток заданной величины. Функциональность драйвера определяется шириной диапазона входных напряжений, возможностью регулировки выходных параметров, восприимчивостью к перепадам в питающей сети и эффективностью.

От перечисленных функций зависят качественные показатели светильника или лампы в целом, срок службы и стоимость. Все источники питания (ИП) для светодиодов условно разделяют на преобразователи линейного и импульсного типа. Линейные ИП могут иметь узел стабилизации по току или напряжению. Часто схемы такого типа радиолюбители конструируют своими руками на микросхеме LM317. Такое устройство легко собирается и имеет малую себестоимость. Но, ввиду очень низкого КПД и явного ограничения по мощности подключаемых светодиодов, перспективы развития линейных преобразователей ограничены.

Импульсные драйверы могут иметь КПД более 90% и высокую степень защиты от сетевых помех. Их мощность потребления в десятки раз меньше мощности, отдаваемой в нагрузку. Благодаря этому они могут изготавливаться в герметичном корпусе и не боятся перегрева.

Первые импульсные стабилизаторы имели сложное устройство без защиты от холостого хода. Затем они модернизировались и, в связи с бурным развитием светодиодных технологий, появились специализированные микросхемы с частотной и широтно-импульсной модуляцией.

Схема питания светодиодов на основе конденсаторного делителя

К сожалению, в конструкции дешёвых светодиодных ламп на 220В из Китая не предусмотрен ни линейный, ни импульсный стабилизатор. Мотивируясь исключительно низкой ценой готового изделия, китайская промышленность смогла максимально упростить схему питания. Называть её драйвером не корректно, так как здесь отсутствует какая-либо стабилизация. схема светодиодной лампы из КитаяИз рисунка видно, что электрическая схема лампы рассчитана на работу от сети 220В. Переменное напряжение понижается RC-цепочкой и поступает на диодный мост. Затем выпрямленное напряжение частично сглаживается конденсатором и через токоограничивающий резистор поступает на светодиоды. Данная схема не имеет гальванической развязки, то есть все элементы постоянно находятся под высоким потенциалом.

В результате частые просадки сетевого напряжения приводит к мерцанию светодиодной лампы. И наоборот, завышенное напряжение сети вызывает необратимый процесс старения конденсатора с потерей ёмкости, а, иногда, становится причиной его разрыва. Стоит отметить, что еще одной, серьезной отрицательной стороной данной схемы является ускоренный процесс деградации светодиодов вследствие нестабильного тока питания.

Схема драйвера на CPC9909

cpc9909Современные импульсные драйверы для светодиодных ламп имеют несложную схему, поэтому ее можно легко смастерить даже своими руками. Сегодня, для построения драйверов, производится ряд интегральных микросхем, специально предназначенных для управления мощными светодиодами. Чтобы упростить задачу любителям электронных схем, разработчики интегральных драйверов для светодиодов в документации приводят типичные схемы включения и расчеты компонентов обвязки.

Общие сведения

Американская компания Ixys наладила выпуск микросхемы CPC9909, предназначенной для управления светодиодными сборками и светодиодами высокой яркости. Драйвер на основе CPC9909 имеет небольшие габариты и не требует больших денежных вложений. ИМС CPC9909 изготавливается в планарном исполнении с 8 выводами (SOIC-8) и имеет встроенный стабилизатор напряжения.

Благодаря наличию стабилизатора рабочий диапазон входного напряжения составляет 12-550В от источника постоянного тока. Минимальное падение напряжения на светодиодах – 10% от напряжения питания. Поэтому CPC9909 идеальна для подключения высоковольтных светодиодов. ИМС прекрасно работает в температурном диапазоне от -55 до +85°C, а значит, пригодна для конструирования светодиодных ламп и светильников для наружного освещения.

Назначение выводов

Стоит отметить, что с помощью CPC9909 можно не только включать и выключать мощный светодиод, но и управлять его свечением. Чтобы узнать обо всех возможностях ИМС, рассмотрим назначение ее выводов.распиновка

  1. VIN. Предназначен для подачи напряжения питания.
  2. CS. Предназначен для подключения внешнего датчика тока (резистора), с помощью которого задаётся максимальный ток светодиода.
  3. GND. Общий вывод драйвера.
  4. GATE. Выход микросхемы. Подает на затвор силового транзистора модулированный сигнал.
  5. PWMD. Низкочастотный диммирующий вход.
  6. VDD. Выход для регулирования напряжения питания. В большинстве случаев подключается через конденсатор к общему проводу.
  7. LD. Предназначен для задания аналогового диммирования.
  8. RT. Предназначен для подключения время задающего резистора.

Схема и ее принцип работы

Типичное включение CPC9909 с питанием от сети 220В показано на рисунке. Схема способна управлять одним или несколькими мощными светодиодами или светодиодами типа High Brightness. Схему можно легко собрать своими руками даже в домашних условиях. Готовый драйвер не нуждается в наладке с учетом грамотного выбора внешних элементов и соблюдением правил их монтажа. схемаДрайвер для светодиодной лампы на 220В на базе CPC9909 работает по методу частотно-импульсной модуляции. Это означает, что время паузы является постоянной величиной (time-off=const). Переменное напряжение выпрямляется диодным мостом и сглаживается емкостным фильтром C1, C2. Затем оно поступает на вход VIN микросхемы и запускает процесс формирования импульсов тока на выходе GATE. Выходной ток микросхемы управляет силовым транзистором Q1. В момент открытого состояния транзистора (время импульса «time-on») ток нагрузки протекает по цепи: «+диодного моста» – LED – L – Q1 – RS – «-диодного моста».принцип работы схемы За это время катушка индуктивности накапливает энергию, чтобы отдать её в нагрузку во время паузы. Когда транзистор закрывается, энергия дросселя обеспечивает ток нагрузки в цепи: L – D1 – LED – L.цикл Процесс носит циклический характер, в результате чего ток через светодиод имеет пилообразную форму. Наибольшее и наименьшее значение пилы зависит от индуктивности дросселя и рабочей частоты. пикиЧастота импульсов определяется величиной сопротивления RT. Амплитуда импульсов зависит от сопротивления резистора RS. Стабилизация тока светодиода происходит путем сравнения внутреннего опорного напряжения ИМС с падением напряжения на RS. Предохранитель и терморезистор защищают схему от возможных аварийных режимов.

Расчет внешних элементов

Частотозадающий резистор

Длительность паузы выставляют внешним резистором RT и определяют по упрощенной формуле:

tпаузы=RT/66000+0,8 (мкс).

В свою очередь время паузы связано с коэффициентом заполнения и частотой:

tпаузы=(1-D)/f (с), где D – коэффициент заполнения, который представляет собой отношение времени импульса к периоду.

Рекомендованный производителем диапазон рабочих частот составляет 30-120 кГц. Таким образом, сопротивление RT можно найти так: RT=(tпаузы-0,8)*66000, где значение tпаузы подставляют в микросекундах.

Датчик тока

Номинал сопротивления RS задает амплитудное значение тока через светодиод и рассчитывается по формуле: RS=UCS/(ILED+0.5*IL пульс), где UCS – калиброванное опорное напряжение, равное 0,25В;

ILED – ток через светодиод;

IL пульс – величина пульсаций тока нагрузки, которая не должна превышать 30%, то есть 0,3*ILED.

После преобразования формула примет вид: RS=0,25/1.15*ILED (Ом).

Мощность, рассеиваемая датчиком тока, определяется формулой: PS=RS*ILED*D (Вт).

К монтажу принимают резистор с запасом по мощности 1,5-2 раза.

Дроссель

Как известно, ток дросселя не может измениться скачком, нарастая за время импульса и убывая во время паузы. Задача радиолюбителя в том, чтобы подобрать катушку с индуктивностью, обеспечивающей компромисс между качеством выходного сигнала и её габаритами. Для этого вспомним об уровне пульсаций, который не должен превышать 30%. Тогда потребуется индуктивность номиналом:

L=(USLED*tпаузы)/ IL пульс, где ULED – падение напряжения на светодиоде (-ах), взятое из графика ВАХ.

Фильтр питания

В цепи питания установлены два конденсатора: С1 – для сглаживания выпрямленного напряжения и С2 – для компенсации частотных помех. Так как CPC9909 работает в широком диапазоне входного напряжения, то в большой ёмкости электролитического С1 нет нужды. Достаточно будет 22 мкФ, но можно и больше. Емкость металлопленочного С2 для схемы такого типа стандартная – 0,1 мкФ. Оба конденсатора должны выдерживать напряжение не менее 400В.

Однако, производитель микросхемы настаивает на монтаже конденсаторов С1 и С2 с малым эквивалентным последовательным сопротивлением (ESR), чтобы избежать негативного влияния высокочастотных помех, возникающих при переключении драйвера.

Выпрямитель

Диодный мост выбирают, исходя из максимального прямого тока и обратного напряжения. Для эксплуатации в сети 220В его обратное напряжение должно быть не менее 600В. Расчетная величина прямого тока напрямую зависит от тока нагрузки и определяется как: IAC=(π*ILED)/2√2, А.

Полученное значение необходимо умножить на два для повышения надежности схемы.

Выбор остальных элементов схемы

Конденсатор C3, установленный в цепи питания микросхемы должен быть ёмкостью 0,1 мкФ с низким значением ESR, аналогично C1 и C2. Незадействованные выводы PWMD и LD также через C3 соединяются с общим проводом.

Транзистор Q1 и диод D1 работают в импульсном режиме. Поэтому выбор следует делать с учетом их частотных свойств. Только элементы с малым временем восстановления смогут сдержать негативное влияние переходных процессов в момент переключения на частоте около 100 кГц. Максимальный ток через Q1 и D1 равен амплитудному значению тока светодиода с учетом выбранного коэффициента заполнения: IQ1=ID1= D*ILED, А.

Напряжение, прикладываемое к Q1 и D1, носит импульсный характер, но не более, чем выпрямленное напряжение с учетом емкостного фильтра, то есть 280В. Выбор силовых элементов Q1 и D1 следует производить с запасом, умножая расчетные данные на два.

Предохранитель (fuse) защищает схему от аварийного короткого замыкания и должен длительно выдерживать максимальный ток нагрузки, в том числе импульсные помехи.

IFUSE=5*IAC, А.

Установка терморезистора RTH нужна для ограничения пускового тока драйвера, когда фильтрующий конденсатор разряжен. Своим сопротивлением RTH должен защитить диоды мостового выпрямителя от пробоя в начальные секунды работы.

RTH=(√2*220)/5*IAC, Ом.

Другие варианты включения CPC9909

Плавный пуск и аналоговое диммирование

При желании CPC9909 может обеспечить мягкое включение светодиода, когда его яркость будет постепенно нарастать. Плавный пуск реализуется при помощи двух постоянных резисторов, подключенных к выводу LD, как показано на рисунке. Данное решение позволяет продлить срок службы светодиода.

Также вывод LD позволяет реализовывать функцию аналогового диммирования. Для этого резистор 2,2 кОм заменяют переменным резистором 5,1 кОм, тем самым плавно изменяя потенциал на выводе LD.

Импульсное димирование

Управлять свечением светодиода можно путем подачи импульсов прямоугольной формы на вывод PWMD (pulse width modulation dimming). Для этого задействуют микроконтроллер или генератор импульсов с обязательным разделением через оптопару.

Кроме рассмотренного варианта драйвера для светодиодных ламп, существуют аналогичные схемные решения от других производителей: HV9910, HV9961, PT4115, NE555, RCD-24 и пр. Каждая из них имеет свои сильные и слабые места, но в целом, они успешно справляются с возложенной нагрузкой при сборке своими руками.

Драйверы для светодиодных лампочек.

Небольшая лабораторка на тему «какой драйвер лучше?» Электронный или на конденсаторах в роли балласта? Думаю, что у каждого есть своя ниша. Постараюсь рассмотреть все плюсы и минусы и тех и других схем. Напомню формулу расчёта балластных драйверов. Может кому интересно?

Свой обзор построю по простому принципу. Сначала рассмотрю драйверы на конденсаторах в роли балласта. Затем посмотрю на их электронных собратьев. Ну а в конце сравнительный вывод.
А теперь перейдём к делу.
Берём стандартную китайскую лампочку. Вот её схема (немного усовершенствованная). Почему усовершенствованная? Эта схема подойдёт к любой дешёвой китайской лампочке. Отличие будет только в номиналах радиодеталей и отсутствии некоторых сопротивлений (в целях экономии).

Бывают лампочки с отсутствующим С2 (очень редко, но бывает). В таких лампочках коэффициент пульсаций 100%. Очень редко ставят R4. Хотя сопротивление R4 просто необходимо. Оно будет вместо предохранителя, а также смягчит пусковой ток. Если в схеме отсутствует, лучше поставить. Ток через светодиоды определяет номинал ёмкости С1. В зависимости от того, какой ток мы хотим пропустить через светодиоды (для самодельщиков), можно рассчитать его ёмкость по формуле (1).

Эту формулу я писАл много раз. Повторюсь.
Формула (2) позволяет сделать обратное. С её помощью можно посчитать ток через светодиоды, а затем и мощность лампочки, не имея Ваттметра. Для расчётов мощности нам ещё необходимо знать падение напряжения на светодиодах. Можно вольтметром измерить, можно просто посчитать (без вольтметра). Вычисляется просто. Светодиод ведёт себя в схеме как стабилитрон с напряжением стабилизации около 3В (есть исключения, но очень редкие). При последовательном подключении светодиодов падение напряжения на них равно количеству светодиодов, умноженному на 3В (если 5 светодиодов, то 15В, если 10 — 30В и т.д.). Всё просто. Бывает, что схемы собраны из светодиодов в несколько параллелей. Тогда надо будет учитывать количество светодиодов только в одной параллели.
Допустим, мы хотим сделать лампочку на десяти светодиодах 5730smd. По паспортным данным максимальный ток 150мА. Рассчитаем лампочку на 100мА. Будет запас по мощности. По формуле (1) получаем: С=3,18*100/(220-30)=1,67мкФ. Такой ёмкости промышленность не выпускает, даже китайская. Берём ближайшую удобную (у нас 1,5мкФ) и пересчитываем ток по формуле (2).
(220-30)*1,5/3,18=90мА. 90мА*30В=2,7Вт. Это и есть расчетная мощность лампочки. Всё просто. В жизни конечно будет отличаться, но не намного. Всё зависит от реального напряжения в сети (это первый минус драйвера), от точной ёмкости балласта, реального падения напряжения на светодиодах и т.д. При помощи формулы (2) вы можете рассчитать мощность уже купленных лампочек (уже упоминал). Падением напряжения на R2 и R4 можно пренебречь, оно незначительно. Можно подключить последовательно достаточно много светодиодов, но общее падение напряжения не должно превышать половины напряжения сети (110В). При превышении этого напряжения лампочка болезненно реагирует на все изменения напряжения. Чем больше превышает, тем болезненнее реагирует (это дружеский совет). Тем более, за этими пределами формула работает неточно. Точно уже не рассчитать.
Вот появился очень большой плюс у этих драйверов. Мощность лампочки можно подгонять под нужный результат подбором ёмкости С1 (как самодельных, так и уже купленных). Но тут же появился и второй минус. Схема не имеет гальванической развязки с сетью. Если ткнуть в любое место включенной лампочки отвёрткой-индикатором, она покажет наличие фазы. Трогать руками (включенную в сеть лампочку) категорически запрещено.
Такой драйвер имеет практически 100%-ный КПД. Потери только на диодах и двух сопротивлениях.
Его можно изготовить в течение получаса (по-быстрому). Даже плату травить необязательно.
Конденсаторы заказывал эти:
aliexpress.com/snapshot/310648391.html
aliexpress.com/snapshot/310648393.html
Диоды вот эти:
aliexpress.com/snapshot/6008595825.html


Но у этих схем есть ещё один серьёзный недостаток. Это пульсации. Пульсации частотой 100Гц, результат выпрямления сетевого напряжения.

У различных лампочек форма незначительно будет отличаться. Всё зависит от величины фильтрующей ёмкости С2. Чем больше ёмкость, тем меньше горбы, тем меньше пульсации. Необходимо смотреть ГОСТ Р 54945-2012. А там чёрным по белому написано, что пульсации частотой до 300Гц вредны для здоровья. Там же формула для расчёта (приложение Г).

Но это не всё. Необходимо смотреть Санитарные нормы СНиП 23-05-95 «ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ». В зависимости от предназначения помещения максимально допустимые пульсации от 10 до 20%.
В жизни ничего просто так не бывает. Результат простоты и дешевизны лампочек налицо.
Пора переходить к электронным драйверам. Здесь тоже не всё так безоблачно.
Вот такой драйвер я заказывал. Это ссылка именно на него в начале обзора.

Почему заказал именно такой? Объясню. Хотел сам «колхозить» светильники на 1-3Вт-ных светодиодах. Подбирал по цене и характеристикам. Меня устроил бы драйвер на 3-4 светодиода с током до 700мА. Драйвер должен иметь в своём составе ключевой транзистор, что позволит разгрузить микросхему управления драйвером. Для уменьшения ВЧ пульсаций по выходу должен стоять конденсатор. Первый минус. Стоимость подобных драйверов (US $13.75 /10 штук) отличается в бОльшую сторону от балластных. Но тут же плюс. Токи стабилизации подобных драйверов 300мА, 600мА и выше. Балластным драйверам такое и не снилось (более 200мА не рекомендую).
Посмотрим на характеристики от продавца:
[input voltage] ac85-265v» that everyday household appliances.»
[output voltage] load after 10-15v; can drive 3-4 3w led lamp beads series
[output current] 600ma
А вот диапазон выходных напряжений маловат (тоже минус). Максимум, можно подцепить последовательно пять светодиодов. Параллельно можно подцеплять сколько угодно. Светодиодная мощность считается по формуле: Ток драйвера умножить на падение напряжения на светодиодах [количество светодиодов (от трёх до пяти) и умножить на падение напряжения на светодиоде (около 3В)].
Ещё один большой недостаток этих драйверов – большие ВЧ помехи. Некоторые экземпляры слышит не только ФМ радио, но и пропадает приём цифровых каналов ТВ при их работе. Частота преобразования составляет несколько десятков кГц. А вот защиты, как правило, никакой (от помех).

Под трансформатором что-то типа «экрана». Должно уменьшить помехи. Именно Этот драйвер почти не фонит.
Почему они фонят, становится ясно, если посмотреть на осциллограмму напряжения на светодиодах. Без конденсаторов ёлочка куда серьёзнее!

На выходе драйвера должен стоять не только электролит, но и керамика для подавления ВЧ помех. Высказал своё мнение. Обычно стоит либо то либо другое. Бывает, что ничего не стоит. Это бывает в дешёвых лампочках. Драйвер спрятан внутри, предъявить претензию будет сложно.
Посмотрим схему. Но предупрежу, она ознакомительная. Нанёс только основные элементы, которые необходимы нам для творчества (для понимания «что к чему»).


Микросхема 3106 отслеживает выходные параметры преобразователя через обратную связь с вспомогательной обмотки трансформатора и управляет ключевым транзистором. Попытки найти информацию на эту МС в Интернете ничего не дала. RS1 RS2 — токозадающие резисторы. От их номинала зависит выходной ток драйвера. RS1 (1 Ом) – основной, при помощи RS2 (33 Ом) выходной ток подгоняется более точно.

Оказывается, и у этих драйверов можно регулировать выходной ток. Снял зависимость выходного тока от сопротивления RS (может кому пригодится).

Регулировать ток при помощи выносного переменного резистора не получится. Паразитные ёмкости и индуктивности никто не отменял.
А теперь на счёт применимости.

В этот светильник что только не вклеивал (был обзор). Теперь приклеил 1-Вт-ные светодиоды. К ним буду подключать обозреваемые драйверы, так нагляднее.
А вот так он светит.

Всего 12 светодиодов (6 пар). Для равномерного распределения света самое оптимальное количество. Для эксперимента тоже лучше не придумаешь.
Один из вариантов подключения к драйверу с балластом на конденсаторах.

С1=1,5мкФ+1,2мкФ=2,7мкФ. Чтобы посчитать мощность, необходимо посчитать ток по формуле (2).
I=(228В-36В)*2,7мкФ/3,18=163мА. Мощность считается по формуле из школьного учебника физики.
Р= 36В*0,163А=5,9Вт.
А теперь посмотрим, что показывают приборы.


Погрешность в расчётах присутствует. Кстати, на мелких мощностях приборчик тоже подвирает.
А теперь посчитаем пульсации (теория в начале обзора). Посмотрим, что же видит наш глаз. К осциллографу подключаю фотодиод. Два снимка объединил в один для удобства восприятия. Слева лампочка выключена. Справа – лампочка включена. Смотрим ГОСТ Р 54945-2012. А там чёрным по белому написано, что пульсации частотой до 300Гц вредны для здоровья. А у нас около 100Гц. Для глаз вредно.

У меня получилось 20%. Необходимо смотреть Санитарные нормы СНиП 23-05-95 «ЕСТЕСТВЕННОЕ И ИСКУССТВЕННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ». Использовать можно, но не в спальне. А у меня коридор. Можно СНиП и не смотреть.
А теперь посмотрим другой вариант подключения светодиодов. Это схема подключения к электронному драйверу.

Итого 3 параллели по 4 светодиода.
Вот, что показывает Ваттметр. 7,1Вт активной мощности.

Посмотрим, сколько доходит до светодиодов. Подключил к выходу драйвера амперметр и вольтметр.

Посчитаем чисто светодиодную мощность. Р=0,49А*12,1В=5,93Вт. Всё, что не хватает, взял на себя драйвер.
Теперь посмотрим, что же видит наш глаз. Слева лампочка выключена. Справа – лампочка включена. Частота повторения импульсов около 100кГц. Смотрим ГОСТ Р 54945-2012. А там чёрным по белому написано, что вредны для здоровья только пульсации частотой до 300Гц. А у нас около 100кГц. Для глаз безвредно.

Всё рассмотрел, всё измерил.
Теперь выделю плюсы и минусы этих схем:
Минусы лампочек с конденсатором в роли балласта по сравнению с электронными драйверами.
-Во время работы КАТЕГОРИЧЕСКИ нельзя касаться элементов схемы, они под фазой.
-Невозможно достичь высоких токов свечения светодиодов, т.к. при этом необходимы конденсаторы больших размеров. А увеличение ёмкости приводит к большим пусковым токам, портящим выключатели.
-Большие пульсации светового потока частотой 100Гц, требуют больших фильтрующих ёмкостей на выходе.
Плюсы лампочек с конденсатором в роли балласта по сравнению с электронными драйверами.
+Схема очень проста, не требует особых навыков при изготовлении.
+Диапазон выходных напряжений просто фантастический. Один и тот же драйвер будет работать и с одним и с сорока последовательно соединёнными светодиодами. У электронных драйверов выходные напряжения имеют намного более узкий диапазон.
+Низкая стоимость подобных драйверов, которая складывается буквально из стоимости двух конденсаторов и диодного моста.
+Можно изготовить и самому. Большинство деталей можно найти в любом сарае или гараже (старые телевизоры и т.д.).
+Можно регулировать ток через светодиоды подбором ёмкости балласта.
+Незаменимы как начальный светодиодный опыт, как первый шаг в освоении светодиодного освещения.
Есть ещё одно качество, которое можно отнести как к плюсам, так и к минусам. При использовании подобных схем с выключателями с подсветкой, светодиоды лампочки подсвечиваются. Лично для меня это скорее плюс, чем минус. Использую повсеместно как дежурное (ночное) освещение.
Умышленно не пишу, какие драйверы лучше, у каждого есть своя ниша.
Я выложил по максимуму всё, что знаю. Показал все плюсы и минусы этих схем. А выбор как всегда делать вам. Я лишь постарался помочь.
На этом всё!
Удачи всем.

Ремонт светодиодных LED ламп, электрические схемы

Светодиодные лампы, благодаря малому энергопотреблению, теоретической долговечности и снижению цены стремительно вытесняют лампы накаливания и энергосберегающие. Но, несмотря на заявленный ресурс работы до 25 лет, зачастую перегорают, даже не отслужив гарантийный срок.

Светодиодные лампы

В отличие от ламп накаливания, 90% перегоревших светодиодных ламп можно успешно отремонтировать своими руками, даже не имея специальной подготовки. Представленные примеры помогут Вам отремонтировать отказавшие светодиодные лампы.

Устройство светодиодной лампы

Прежде, чем браться за ремонт светодиодной лампы нужно представлять ее устройство. Вне зависимости от внешнего вида и типа применяемых светодиодов, все светодиодные лампы, в том числе и филаментные лампочки, устроены одинаково. Если удалить стенки корпуса лампы, то внутри можно увидеть драйвер, который представляет собой печатную плату с установленными на ней радиоэлементами.

Устройство светодиодной лампы

Любая светодиодная лампа устроена и работает следующим образом. Питающее напряжение с контактов электрического патрона подается на выводы цоколя. К нему припаяны два провода, через которые напряжение подается на вход драйвера. С драйвера питающее напряжение постоянного тока подается на плату, на которой распаяны светодиоды.

Драйвер представляет собой электронный блок – генератор тока, который преобразует напряжение питающей сети в ток, необходимый для свечения светодиодов.

Иногда для рассеивания света или защиты от прикосновения человека к незащищенным проводникам платы со светодиодами ее закрывают рассеивающим защитным стеклом.

О филаментных лампах

По внешнему виду филаментная лампа похожа на лампу накаливания. Устройство филаментных ламп отличается от светодиодных тем, что в качестве излучателей света в них используется не плата со светодиодами, а стеклянная герметичная заполненная газом колба, в которой размещены один или несколько филаментных стержней. Драйвер находится в цоколе.

Фотография филаментной лампы

Филаментный стержень представляет собой стеклянную или сапфировую трубку диаметром около 2 мм и длиной около 30 мм, на которой закреплены и соединены последовательно покрытые люминофором 28 миниатюрных светодиодов. Один филамент потребляет мощность около 1 Вт. Мой опыт эксплуатации показывает, что филаментные лампы гораздо надежнее, чем изготовленные на базе SMD светодиодов. Полагаю, со временем они вытеснят все другие искусственные источники света.

Филаментным лампам и их ремонту посвящена отдельная статья «Устройство и ремонт филаментных ламп».

Примеры ремонта светодиодных ламп

Внимание, электрические схемы драйверов светодиодных ламп гальванически связаны с фазой электрической сети и поэтому следует соблюдать осторожность. Прикосновение к оголенным участкам схемы подключенной к электрической сети может привести к поражению электрическим током.

Ремонт светодиодной лампы
ASD LED-A60, 11 Вт на микросхеме SM2082

В настоящее время появились мощные светодиодные лампочки, драйверы которых собраны на микросхемах типа SM2082. Одна из них проработала менее года и попала мне в ремонт. Лампочка бессистемно гасла и опять зажигалась. При постукивании по ней она отзывалась светом или гашением. Стало очевидно, что неисправность заключается в плохом контакте.

Светодиодная лампа LED-A60, 11 Вт, Е27

Чтобы добраться к электронной части лампы нужно с помощью ножа подцепить рассеивающее стекло в месте соприкосновения его с корпусом. Иногда отделить стекло трудно, так как при его посадке на фиксирующее кольцо наносят силикон.

Светодиодная плата LED-A60

После снятия светорассеивающего стекла открылся доступ к светодиодам и микросхеме – генератора тока SM2082. В этой лампе одна часть драйвера была смонтирована на алюминиевой печатной плате светодиодов, а вторая на отдельной.

Отпайка драйвера LED-A60

Внешний осмотр не выявил дефектных паек или обрывов дорожек. Пришлось снимать плату со светодиодами. Для этого сначала был срезан силикон и плата поддета за край лезвием отвертки.

Чтобы добраться до драйвера, расположенного в корпусе лампы пришлось его отпаять, разогрев паяльником одновременно два контакта и сдвинуть вправо.

Драйвер со стороны установки конденсатора

С одной стороны печатной платы драйвера был установлен только электролитический конденсатор емкостью 6,8 мкФ на напряжение 400 В.

Драйвер со стороны установки диодного моста

С обратной стороны платы драйвера был установлен диодный мост и два последовательно соединенных резистора номиналом по 510 кОм.

Поиск пропадающего контакта в лампе ASD LED-A60

Для того, чтобы разобраться в какой из плат пропадает контакт пришлось их соединить, соблюдая полярность, с помощью двух проводков. После простукивания по платам ручкой отвертки стало очевидным, что неисправность кроется в плате с конденсатором или в контактах проводов, идущих из цоколя светодиодной лампы.

Центральный контакт цоколя ASD LED-A60

Так как пайки не вызывали подозрений сначала проверил надежность контакта в центральном выводе цоколя. Он легко вынимается, если поддеть его за край лезвием ножа. Но контакт был надежным. На всякий случай залудил провод припоем.

Винтовую часть цоколя снимать сложно, поэтому решил паяльником пропаять пайки подходящих от цоколя проводов. При прикосновении к одной из паек провод оголился. Обнаружилась «холодная» пайка. Так как добраться для зачистки провода возможности не было, то пришлось смазать его активным флюсом «ФИМ», а затем припаять заново.

Лампа ASD LED-A60 отремонтирована

После сборки светодиодная лампа стабильно излучала свет, несмотря за удары по ней рукояткой отвертки. Проверка светового потока на

Драйвер для светодиодов: назначение, выбор, подключение, схемы

Широкое распространение светодиодов повлекло за собой массовое производство блоков питания для них. Такие блоки называются драйверами. Основной их особенностью является то, что они способны стабильно поддерживать на выходе заданный ток. Другими словами, драйвер для светодиодов (LED) – это источник тока для их питания.

Назначение

Поскольку светодиод — это полупроводниковые элементы, ключевой характеристикой, определяющей яркость их свечения, является не напряжение, а ток. Чтобы они гарантированно отработали заявленное  количество часов, необходим драйвер, — он стабилизирует ток, протекающий через цепь светодиодов. Возможно использование маломощных светоизлучающих диодов и без драйвера, в этом случае его роль выполняет резистор.

Применение

Драйверы применяются как при питании светодиода от сети 220В, так и от источников постоянного напряжения 9-36 В. Первые используются при освещении помещений светодиодными лампами и лентами, вторые чаще встречаются в автомобилях, велосипедных фарах, переносных фонарях и т.д.

Принцип работы

Как уже было сказано, драйвер – это источник тока. Его отличия от источника напряжения проиллюстрированы ниже.

Источник напряжения создает на своем выходе некоторое напряжение, в идеале не зависящее от нагрузки.

Например, если подключить к источнику напряжением 12 В резистор 40 Ом, через него пойдет ток 300 мА.

Если подключить параллельно два резистора, суммарный ток составит уже 600 мА при том же напряжении.

Драйвер же поддерживает на своем выходе заданный ток. Напряжение при этом может изменяться.

Подключим так же резистор 40 Ом к драйверу 300 мА.

Драйвер создаст на резисторе падение напряжения 12 В.

Если подключить параллельно два резистора, ток по-прежнему будет 300 мА, а напряжение упадет до 6 В:

Таким образом, идеальный драйвер способен обеспечить нагрузке номинальный ток вне зависимости от падения напряжения. То есть светодиод с падением напряжения 2 В и током 300 мА будет гореть так же ярко, как и светодиод напряжением 3 В и током 300 мА.

Основные характеристики

При подборе нужно учитывать три основных параметра: выходное напряжение, ток и потребляемая нагрузкой мощность.

Напряжение на выходе драйвера зависит от нескольких факторов:

  • падение напряжения на светодиоде;
  • количество светодиодов;
  • способ подключения.

Ток на выходе драйвера определяется характеристиками светодиодов и зависит от следующих параметров:

  • мощность светодиодов;
  • яркость.

Мощность светодиодов влияет на потребляемый ими ток, который может варьироваться в зависимости от требуемой яркости. Драйвер должен обеспечить им этот ток.

Мощность нагрузки зависит от:

  • мощности каждого светодиода;
  • их количества;
  • цвета.

В общем случае потребляемую мощность можно рассчитать как

где Pled — мощность светодиода,

N — количество подключаемых светодиодов.

Максимальная мощность драйвера не должна быть меньше .

Стоит учесть, что для стабильной работы драйвера и предотвращения выхода его из строя следует обеспечить запас по мощности хотя бы 20-30%. То есть должно выполняться следующее соотношение:

где Pmax   — максимальная мощность драйвера.

Кроме мощности и количества светодиодов, мощность нагрузки зависит еще от их цвета. Светодиоды разных цветов имеют разное падение напряжения при одинаковом токе. Например, красный светодиод CREE XP-E обладает падением напряжения 1.9-2.4 В при токе 350 мА. Средняя потребляемая им мощность таким образом составляет около 750 мВт.

У XP-E зеленого цвета падение 3.3-3.9 В при том же токе, и его средняя мощность составит уже около 1.25 Вт. То есть драйвером, рассчитанным на 10 ватт, можно питать либо 12-13 красных светодиодов, либо 7-8 зеленых.

Как подобрать драйвер для светодиодов. Способы подключения LED

Допустим, имеется 6 светодиодов с падением напряжения 2 В и током 300 мА. Подключить их можно различными способами, и в каждом случае потребуется драйвер с определенными параметрами:

  1. Последовательно. При таком способе подключения потребуется драйвер напряжением 12 В и током 300 мА. Преимущество такого способа в том, что через всю цепь идет один и тот же ток, и светодиоды горят с одинаковой яркостью. Недостаток заключается в том, что для подключения большого числа светодиодов потребуется драйвер с очень большим напряжением. 
  2. Параллельно. Здесь уже будет достаточно драйвера на 6 В, но потребляемый ток будет примерно в 2 раза больше, чем при последовательном соединении. Недостаток: токи, текущие в каждой цепи, немного различаются из-за разброса параметров светодиодов, поэтому одна цепь будет светить несколько ярче другой. 
  3. Последовательно по два. Тут потребуется такой же драйвер, как и во втором случае. Яркость свечения будет уже более равномерная, но есть один существенный недостаток: при включении питания в каждой паре светодиодов из-за разброса характеристик один может открыться раньше другого, и через него пойдет ток, в 2 раза превышающий номинальный. Большинство светодиодов рассчитаны на такие кратковременные броски тока, но все-таки этот способ наименее предпочтителен.

Соединять таким образом параллельно 3 и более светодиодов недопустимо, так как при этом через них может пойти слишком большой ток, в результате чего они быстро выйдут из строя.

Обратите внимание, что во всех случаях мощность драйвера составляет 3.6 Вт и не зависит от способа подключения нагрузки.

Таким образом, целесообразнее выбирать драйвер для светодиодов уже на этапе закупки последних, предварительно определив схему подключения. Если же сначала приобрести сами светодиоды, а потом подбирать к ним драйвер, это может оказаться нелегкой задачей, поскольку вероятность того, что Вы найдете именно тот источник питания, который сможет обеспечить работу именно этого количества светодиодов, включенных по конкретной схеме, невелика.

Виды

В общем случае драйверы для светодиодов можно разделить на две категории: линейные и импульсные.

У линейного выходом служит генератор тока. Он обеспечивает стабилизацию выходного тока при нестабильном входном напряжении; причем подстройка происходит плавно, не создавая высокочастотных электромагнитных помех. Они просты и дешевы, но невысокий КПД (менее 80%) ограничивает сферу их применения маломощными светодиодами и лентами.

Импульсные представляют собой устройства, создающие на выходе серию высокочастотных импульсов тока.

Обычно они работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то есть среднее значение выходного тока определяется отношением ширины импульсов к периоду их следования (эта величина называется коэффициентом заполнения).

На диаграмме выше показан принцип работы ШИМ-драйвера: частота импульсов остается постоянной, но изменяется коэффициент заполнения от 10% до 80%. Это ведет к изменению среднего значения тока Icp на выходе.

Такие драйверы получили широкое распространение благодаря компактности и высокому КПД (около 95%). Основным недостатком является больший по сравнению с линейными уровень электромагнитных помех.

Светодиодный драйвер на 220 В

Для включения в сеть 220 В выпускаются как линейные, так и импульсные. Существуют драйверы с гальванической развязкой от сети и без нее. Основными преимуществами первых являются высокий КПД, надежность и безопасность.

Без гальванической развязки обычно дешевле, но менее надежны и требуют осторожности при подключении, поскольку есть вероятность поражения током.

Китайские драйверы

Востребованность драйверов для светодиодов способствует их массовому производству в Китае. Эти устройства представляют собой импульсные источники тока, обычно на 350-700 мА, часто не имеющие корпуса.

Китайский драйвер для светодиода 3w

Основные их достоинства – низкая цена и наличие гальванической развязки. Недостатки следующие:

  • низкая надежность из-за использования дешевых схемных решений;
  • отсутствие защиты от перегрева и колебаний в сети;
  • высокий уровень радиопомех;
  • высокий уровень пульсаций на выходе;
  • недолговечность.

Срок службы

Обычно срок службы драйвера меньше, чем у оптической части – производители дают гарантию на 30000 часов работы. Это связано с такими факторами, как:

  • нестабильность сетевого напряжения;
  • перепады температур;
  • уровень влажности;
  • загруженность драйвера.

Самым слабым звеном светодиодного драйвера являются сглаживающие конденсаторы, которые имеют тенденцию к испарению электролита, особенно в условиях повышенной влажности и нестабильного питающего напряжения. В результате уровень пульсаций на выходе драйвера повышается, что негативно сказывается на работе светодиодов.

Также на срок службы влияет неполная загруженность драйвера. То есть если он, рассчитан на 150 Вт, а работает на нагрузку 70 Вт, половина его мощности возвращается в сеть, вызывая ее перегрузку. Это провоцирует частые сбои питания. Рекомендуем почитать про срок службы светодиодных ламп.

Схемы драйверов (микросхемы) для светодиодов

Многие производители выпускают специализированные микросхемы драйверов. Рассмотрим некоторые из них.

ON Semiconductor UC3845 – импульсный драйвер с выходным током до 1А. Схема драйвера для светодиода 10w на этой микросхеме приведена ниже.

Supertex HV9910 – очень распространенная микросхема импульсного драйвера. Ток на выходе не превышает 10 мА, не имеет гальванической развязки.

Простой драйвер тока на этой микросхеме представлен ниже.

Texas Instruments UCC28810. Сетевой импульсный драйвер, имеет возможность организовать гальваническую развязку. Выходной ток до 750 мА.

Еще одна микросхема этой фирмы, — драйвер для питания мощных светодиодов LM3404HV — описывается в этом видео:

Устройство работает по принципу резонансного преобразователя типа Buck Converter, то есть функция поддержания требуемого тока здесь частично возложена на резонансную цепь в виде катушки L1 и диода Шоттки D1 (типовая схема приведена ниже). Также имеется возможность задания частоты коммутации подбором резистора RON.

Maxim MAX16800 – линейная микросхема, работает при малых напряжениях, поэтому на ней можно построить драйвер 12 вольт. Выходной ток – до 350 мА, поэтому может использоваться как драйвер питания для мощного светодиода, фонарика, и т.д. Есть возможность диммирования. Типовая схема и структура представлены ниже.

Заключение

Светодиоды гораздо более требовательны к источнику питания, чем другие источники света. Например, превышение тока на 20% для люминесцентной лампы не повлечет за собой серьезного ухудшения характеристик, для светодиодов же срок службы сократится в несколько раз. Поэтому выбирать драйвер для светодиодов следует особенно тщательно.

 

Простейшие схемы подключения светодиодов в 220 вольт без драйвера (самое простое питание светодиода от сети напряжением 220В)

Потому что нужно грамотно решить сразу две задачи:

  1. Ограничить прямой ток через светодиод, чтобы он не сгорел.
  2. Обеспечить защиту светодиода от пробоя обратным током.

Если проигнорировать любой из этих пунктов, светодиод моментально накроется медным тазом.

В самом простейшем случае ограничить ток через светодиод можно резистором и/или конденсатором. А предотвратить пробой от обратного напряжения можно с помощью обычного диода или еще одного светодиода.

Поэтому самая простая схема подключения светодиода к 220В состоит всего из нескольких элементов:

Защитный диод может быть практически любым, т.к. его обратное напряжение никогда не будет превышать прямого напряжения на светодиоде, а ток ограничен резистором.

Сопротивление и мощность ограничительного (балластного) резистора зависит от рабочего тока светодиода и рассчитывается по закону Ома:

R = (Uвх — ULED) / I

А мощность рассеивания резистора рассчитывается так:

P = (Uвх — ULED)2 / R

где Uвх = 220 В,
ULED — прямое (рабочее) напряжение светодиода. Обычно оно лежит в пределах 1.5-3.5 В. Для одного-двух светодиодов им можно пренебречь и, соответственно, упростить формулу до R=Uвх/I,
I — ток светодиода. Для обычных индикаторных светодиодов ток будет 5-20 мА.

Пример расчета балластного резистора

Допустим, нам нужно получить средний ток через светодиод = 20 мА, следовательно, резистор должен быть:

R = 220В/0.020А = 11000 Ом (берем два резистора: 10 + 1 кОм)

P = (220В)2/11000 = 4.4 Вт (берём с запасом: 5 Вт)

Необходимое сопротивление резистора можно взять из таблицы ниже.

Таблица 1. Зависимость тока светодиода от сопротивления балластного резистора.

Сопротивление резистора, кОм Амплитудное значение тока через светодиод, мА Средний ток светодиода, мА Средний ток резистора, мА Мощность резистора, Вт
43 7.2 2.5 5 1.1
24 13 4.5 9 2
22 14 5 10 2.2
12 26 9 18 4
10 31 11 22 4.8
7.5 41 15 29 6.5
4.3 72 25 51 11.3
2.2 141 50 100 22

Другие варианты подключения

В предыдущих схемах защитный диод был включен встречно-параллельно, однако его можно разместить и так:

Это вторая схема включения светодиодов на 220 вольт без драйвера. В этой схеме ток через резистор будет в 2 раза меньше, чем в первом варианте. А, следовательно, на нем будет выделяться в 4 раза меньше мощности. Это несомненный плюс.

Но есть и минус: к защитному диоду прикладывается полное (амплитудное) напряжение сети, поэтому любой диод здесь не прокатит. Придется подобрать что-нибудь с обратным напряжением 400 В и выше. Но в наши дни это вообще не проблема. Отлично подойдет, например, вездесущий диод на 1000 вольт — 1N4007 (КД258).

Не смотря на распространенное заблуждение, в отрицательные полупериоды сетевого напряжения, светодиод все-таки будет находиться в состоянии электрического пробоя. Но благодаря тому, что сопротивление обратносмещенного p-n-перехода защитного диода очень велико, ток пробоя будет недостаточен для вывода светодиода из строя.

Внимание! Все простейшие схемы подключения светодиодов в 220 вольт имеют непосредственную гальваническую связь с сетью, поэтому прикосновение к ЛЮБОЙ точке схемы — ЧРЕЗВЫЧАЙНО ОПАСНО!

Для уменьшения величины тока прикосновения нужно располовинить резистор на две части, чтобы получилось как показано на картинках:

Благодаря такому решению, даже поменяв местами фазу и ноль, ток через человека на «землю» (при случайном прикосновении) никак не сможет превысить 220/12000=0.018А. А это уже не так опасно.

Как быть с пульсациями?

В обеих схемах светодиод будет светиться только в положительный полупериод сетевого напряжения. То есть он будет мерцать с частой 50 Гц или 50 раз в секунду, причём размах пульсаций будет равен 100% (10 мс горит, 10 мс не горит и так далее). Это будет заметно глазу.

К тому же, при подсветке мерцающими светодиодами каких-либо движущихся объектов, например, лопастей вентилятора, колес велосипеда и т.п., неизбежно будет возникать стробоскопический эффект. В некоторых случаях данный эффект может быть неприемлем или даже опасен. Например, при работе за станком может показаться, что фреза неподвижна, а на самом деле она вращается с бешенной скоростью и только и ждет, чтобы вы сунули туда пальцы.

Чтобы сделать пульсации менее заметными, можно удвоить частоту включения светодиода с помощью двухполупериодного выпрямителя (диодного моста):

Обратите внимание, что по сравнению со схемой #2 при том же самом сопротивлении резисторов, мы получили в два раза больший средний ток. И, соответственно, в четыре раза большую мощность рассеивания резисторов.

К диодному мосту при этом не предъявляется каких-либо особых требований, главное, чтобы диоды, из которых он состоит, выдерживали половину рабочего тока светодиода. Обратное напряжение на каждом из диодов будет совсем ничтожным.

Еще, как вариант, можно организовать встречно-параллельное включение двух светодиодов. Тогда один из них будет гореть во время положительной полуволны, а второй — во время отрицательной.

Фишка в том, что при таком включении максимальное обратное напряжение на каждом из светодиодов будет равно прямому напряжению другого светодиода (несколько вольт максимум), поэтому каждый из светодиодов будет надежно защищен от пробоя.

Светодиоды следует разместить как можно ближе друг к другу. В идеале — попытаться найти сдвоенный светодиод, где оба кристалла размещены в одном корпусе и у каждого свои выводы (хотя я таких ни разу не видел).

Вообще говоря, для светодиодов, выполняющих индикаторную функцию, величина пульсаций не очень-то и важна. Для них самое главное — это максимально заметная разница между включенным и выключенным состоянием (индикация вкл/выкл, воспроизведение/запись, заряд/разряд, норма/авария и т.п.)

А вот при создании светильников, всегда нужно стараться свести пульсации к минимуму. И не столько из-за опасностей стробоскопического эффекта, сколько из-за их вредного влияния на организм.

Какие пульсации считаются допустимыми?

Все зависит от частоты: чем она ниже, тем заметнее пульсации. На частотах выше 300 Гц пульсации становятся совершенно невидимыми и вообще никак не нормируются, то есть даже 100%-ные считаются нормой.

Не смотря на то, что пульсации освещенности на частотах 60-80 Гц и выше визуально не воспринимаются, тем не менее, они способны вызывать повышенную усталость глаз, общую утомляемость, тревожность, снижение производительности зрительной работы и даже головные боли.

Для предотвращения вышеперечисленных последствий, международный стандарт IEEE 1789-2015 рекомендует максимальный уровень пульсаций яркости для частоты 100 Гц — 8% (гарантированно безопасный уровень — 3%). Для частоты 50 Гц — это будут 1.25% и 0.5% соответственно. Но это для перфекционистов.

На самом деле, для того, чтобы пульсации яркости светодиода перестали хоть как-то досаждать, достаточно, чтобы они не превышали 15-20%. Именно таков уровень мерцания ламп накаливания средней мощности, а ведь на них никто и никогда не жаловался. Да и наш российский СНиП 23-05-95 допускает мерцание света в 20% (и только для особо кропотливых и ответственных работ требование повышено до 10%).

В соответствии с ГОСТ 33393-2015 «Здания и сооружения. Методы измерения коэффициента пульсации освещенности» для оценки величины пульсаций вводится специальный показатель — коэффициент пульсаций (Кп).

Коэфф. пульсаций в общем рассчитывается по сложной формуле с применением интегральной функции, но для гармонических колебаний формула упрощается до следующей:

Кп = (Еmax — Emin) / (Emax + Emin) ⋅ 100%,

где Емах — максимальное значение освещенности (амплитудное), а Емин — минимальное.

Мы будем использовать эту формулу для расчета емкости сглаживающего конденсатора.

Очень точно определить пульсации любого источника света можно при помощи солнечной панели и осциллографа:

Как уменьшить пульсации?

Посмотрим, как включить светодиод в сеть 220 вольт, чтобы снизить пульсации. Для этого проще всего подпаять параллельно светодиоду накопительный (сглаживающий) конденсатор:

Из-за нелинейного сопротивления светодиодов, расчет емкости этого конденсатора является довольно нетривиальной задачей.

Однако, эту задачу можно упростить, если сделать несколько допущений. Во-первых, представить светодиод в виде эквивалентного постоянного резистора:

А во-вторых, сделать вид, что яркость светодиода (а, следовательно, и освещенность) имеет линейную зависимость от тока.

Давайте попробуем приблизительно рассчитать емкость конденсатора на конкретном примере.

Расчет емкости сглаживающего конденсатора

Допустим, мы хотим получить коэфф. пульсаций 2.5% при токе через светодиод 20 мА. И пусть в нашем распоряжении оказался светодиод, на котором при токе в 20 мА падает 2 В. Частота сети, как обычно, 50 Гц.

Так как мы решили, что яркость линейно зависит от тока через светодиод, а сам светодиод мы представили в виде простого резистора, то освещенность в формуле расчета коэффициента пульсаций можем спокойно заменить на напряжение на конденсаторе:

Кп = (Umax — Umin) / (Umax + Umin) ⋅ 100%

Подставляем исходные данные и вычисляем Umin:

2.5% = (2В — Umin) / (2В + Umin) 100% => Umin = 1.9В

Период колебаний напряжения в сети равен 0.02 с (1/50).

Таким образом, осциллограмма напряжения на конденсаторе (а значит и на нашем упрощенном светодиоде) будет выглядеть примерно вот так:

Вспоминаем тригонометрию и считаем время заряда конденсатора (для простоты не будем учитывать сопротивление балластного резистора):

tзар = arccos(Umin/Umax) / 2πf = arccos(1.9/2) / (23.141550) = 0.0010108 с

Весь остальной остаток периода кондер будет разряжаться. Причем, период в данном случае нужно сократить в два раза, т.к. у нас используется двухполупериодный выпрямитель:

tразр = Т — tзар = 0.02/2 — 0.0010108 = 0.008989 с

Осталось вычислить емкость:

C = ILEDdt/dU = 0.02 0.008989/(2-1.9) = 0.0018 Ф (или 1800 мкФ)

На практике вряд ли кто-то будет ставить такой большой кондер ради одного маленького светодиодика. Хотя, если стоит задача получить пульсации в 10%, то нужно всего 440 мкФ.

Повышаем КПД

Обратили внимание, насколько большая мощность выделяется на гасящем резисторе? Мощность, которая тратится впустую. Нельзя ли ее как-нибудь уменьшить?

Оказывается, еще как можно! Достаточно вместо активного сопротивления (резистора) взять реактивное (конденсатор или дроссель).

Дроссель мы, пожалуй, сразу откинем из-за его громоздкости и возможных проблем с ЭДС самоиндукции. А насчет конденсаторов можно подумать.

Как известно, конденсатор любой емкости обладает бесконечным сопротивлением для постоянного тока. А вот сопротивление переменному току рассчитывается по этой формуле:

Rc = 1 / 2πfC

то есть, чем больше емкость C и чем выше частота тока f — тем ниже сопротивление.

Прелесть в том, что на реактивном сопротивлении и мощность тоже реактивная, то есть ненастоящая. Она как бы есть, но ее как бы и нет. На самом деле эта мощность не совершает никакой работы, а просто возвращается назад к источнику питания (в розетку). Бытовые счетчики ее не учитывают, поэтому платить за нее не придется. Да, она создает дополнительную нагрузку на сеть, но вас, как конечного потребителя, это вряд ли сильно обеспокоит =)

Таким образом, наша схема питания светодиодов от 220В своими руками приобретает следующий вид:

Но! Именно в таком виде ее лучше не использовать, так как в этой схеме светодиод уязвим для импульсных помех.

Включение или выключение распложенных на одной с вами линии мощной индуктивной нагрузки (двигатель кондиционера, компрессор холодильника, сварочный аппарат и т.п.) приводит к появлению в сети очень коротких выбросов напряжения. Конденсатор С1 представляет для них практически нулевое сопротивление, следовательно мощный импульс направится прямиком к С2 и VD5.

К сожалению, электролитические конденсаторы, из-за своей большой паразитной индуктивности, плохо справляются с ВЧ-помехами, поэтому большая часть энергии импульса пойдет через p-n-переход светодиода.

Еще один опасный момент возникает в случае включения схемы в момент пучности напряжения в сети (т.е. в тот самый момент, когда напряжение в розетке находится на пике своего значения). Т.к. С1 в этот момент полностью разряжен, то возникает слишком большой бросок тока через светодиод.

Все это со временем это приводит к прогрессирующей деградации кристалла и падению яркости свечения.

Во избежание таких печальных последствий, схему нужно дополнить небольшим гасящим резистором на 47-100 Ом и мощностью 1 Вт. Кроме того, резистор R1 будет выступать в роли предохранителя на случай пробоя конденсатора С1.

Получается, что схема включения светодиода в сеть 220 вольт должна быть такой:

И остается еще один маленький нюанс: если выдернуть эту схему из розетки, то на конденсаторе С1 останется какой-то заряд. Остаточное напряжение будет зависеть от того, в какой момент была разорвана цепь питания и в отдельных случаях может превышать 300 вольт.

А так как конденсатору некуда разряжаться, кроме как через свое внутреннее сопротивление, то заряд может сохраняться очень долго (сутки и более). И все это время кондер будет ждать вас или вашего ребенка, через которого можно будет как следует разрядиться. Причем, для того, чтобы получить удар током, не нужно лезть в недра схемы, достаточно просто прикоснуться к обоим контактам штепсельной вилки.

Чтобы помочь кондеру избавиться от ненужного заряда, подключим параллельно ему любой высокоомный резистор (например, на 1 МОм). Этот резистор не будет оказывать никакого влияния на расчетный режим работы схемы. Он даже греться не будет.

Таким образом, законченная схема подключения светодиода к сети 220В (с учетом всех нюансов и доработок) будет выглядеть так:

Значение емкости конденсатора C1 для получения нужного тока через светодиод можно сразу взять из Таблицы 2, а можно рассчитать самостоятельно.

Вот здесь можно посмотреть, как еще сильнее усовершенствовать данную схему, добавив в нее стабилизатор тока на одном транзисторе и стабилитроне. Это существенно понизит пульсации и продлит срок службы светодиодов.

Расчет гасящего конденсатора для светодиода

Не буду приводить утомляющие математические выкладки, дам сразу готовую формулу емкости (в Фарадах):

C = I / (2πf√(U2вх — U2LED)) [Ф],

где I — ток через светодиод, f — частота тока (50 Гц), Uвх — действующее значение напряжения сети (220В), ULED — напряжение на светодиоде.

Если расчет ведется для небольшого числа последовательно включенных светодиодов, то выражение √(U2вх — U2LED) приблизительно равно Uвх, следовательно формулу можно упростить:

C ≈ 3183 ⋅ ILED / Uвх [мкФ]

а, раз уж мы делаем расчеты под Uвх = 220 вольт, то:

C ≈ 15 ⋅ ILED [мкФ]

Таким образом, при включении светодиода на напряжение 220 В, на каждые 100 мА тока потребуется примерно 1.5 мкФ (1500 нФ) емкости.

Кто не в ладах с математикой, заранее посчитанные значения можно взять из таблицы ниже.

Таблица 2. Зависимость тока через светодиоды от емкости балластного конденсатора.

C1 15 nF 68 nF 100 nF 150 nF 330 nF 680 nF 1000 nF
ILED 1 mA 4.5 mA 6.7 mA 10 mA 22 mA 45 mA 67 mA

Немного о самих конденсаторах

В качестве гасящих рекомендуется применять помехоподавляющие конденсаторы класса Y1, Y2, X1 или X2 на напряжение не менее 250 В. Они имеют прямоугольный корпус с многочисленными обозначениями сертификатов на нем. Выглядят так:

Если вкратце, то:

  • X1 – используются в промышленных устройствах, подключаемых к трехфазной сети. Эти конденсаторы гарантированно выдерживают всплеск напряжения в 4 кВ;
  • X2 – самые распространенные. Используются в бытовых приборах с номинальным напряжением сети до 250 В, выдерживают скачек до 2.5 кВ;
  • Y1 – работают при номинальном сетевом напряжении до 250 В и выдерживают импульсное напряжение до 8 кВ;
  • Y2 – довольно-таки распространенный тип, может быть использован при сетевом напряжении до 250 В и выдерживает импульсы в 5 кВ.

Допустимо применять отечественные пленочные конденсаторы К73-17 на 400 В (а лучше — на 630 В).

Сегодня широкое распространение получили китайские «шоколадки» (CL21), но в виду их крайне низкой надежности, очень рекомендую удержаться от соблазна применять их в своих схемах. Особенно в качестве балластных конденсаторов.

Внимание! Полярные конденсаторы ни в коем случае нельзя использовать в качестве балластных!

Итак, мы рассмотрели, как подключать светодиод к 220В (схемы и их расчет). Все приведенные в данной статье примеры хорошо подходят для одного или нескольких маломощных светодиодов, но совершенно нецелесообразны для мощных светильников, например, ламп или прожекторов — для них лучше использовать полноценные схемы, которые называются драйверами.

Правильная схема подключения светодиодов: последовательно или параллельно

Самое правильное подключение нескольких светодиодов — последовательное. Сейчас объясню почему.

Дело в том, что определяющим параметром любого светодиода является его рабочий ток. Именно от тока через светодиод зависит то, какова будет мощность (а значит и яркость) светодиода. Именно превышение максимального тока приводит к чрезмерному повышению температуры кристалла и выходу светодиода из строя — быстрому перегоранию либо постепенному необратимому разрушению (деградации).

Ток — это главное. Он указан в технических характеристиках светодиода (datasheet). А уже в зависимости от тока, на светодиоде будет то или иное напряжение. Напряжение тоже можно найти в справочных данных, но его, как правило, указывают в виде некоторого диапазона, потому что оно вторично.

Для примера, заглянем в даташит светодиода 2835:

Как видите, прямой ток указан четко и определенно — 180 мА. А вот напряжение питания светодиодов при таком токе имеет некоторый разброс — от 2.9 до 3.3 Вольта.

Получается, что для того, чтобы задать требуемый режим работы светодиода, нужно обеспечить протекание через него тока определенной величины. Следовательно, для питания светодиодов нужно использовать источник тока, а не напряжения.

Источник тока (или генератор тока) — источник электрической энергии, который поддерживает постоянное значение силы тока через нагрузку с помощью изменения напряжения на своем выходе. Если сопротивление нагрузки, например, возрастает, источник тока автоматически повышает напряжение таким образом, чтобы ток через нагрузку остался неизменным и наоборот. Источники тока, которыми запитывают светодиоды, еще называют драйверами.

Конечно, к светодиоду можно подключить источник стабилизированного напряжения (например, выход лабораторного блока питания), но тогда нужно точно знать какой величины должно быть напряжение для получения заданного тока через светодиод.

Например, в нашем примере со светодиодом 2835, можно было бы подать на него где-то 2.5 В и постепенно повышать напругу до тех пор, пока ток не станет оптимальным (150-180 мА).

Так делать можно, но в этом случае придется настраивать выходное напряжение блока питания под каждый конкретный светодиод, т.к. все они имеют технологический разброс параметров. Если, подключив к одному светодиоду 3.1В, вы получили максимальный ток в 180 мА, то это не значит, что поменяв светодиод на точно такой же из той же партии, вы не сожгете его (т.к. ток через него при напряжении 3.1В запросто может превысить максимально допустимое значение).

К тому же необходимо очень точно поддерживать напряжение на выходе блока питания, что накладывает определенные требования к его схемотехнике. Превышение заданного напряжения всего на 10% почти гарантированно приведет к перегреву и выходу светодиода из строя, так как ток при этом превысит все мыслимые значения.

Вот прекрасная иллюстрация к вышесказанному:

Поэтому самым правильным и простым решением будет использовать для подключения светодиодов драйвера тока (он же источник тока). И тогда будет совершенно неважно, какой вы возьмете светодиод и каким будет прямое напряжение на нем. Нужно просто найти драйвер на нужный ток и дело в шляпе.

Теперь, возвращаемся к главному вопросу статьи — почему все-таки последовательное подключение, а не параллельное? Давайте посмотрим, в чем разница.

Параллельное подключение

При параллельном подключении светодиодов, напряжение на них будет одинаковым. А так как не существует двух диодов с абсолютно одинаковыми характеристиками, то будет наблюдаться следующая картина: через какой-то светодиод будет идти ток ниже номинального (и светить он будет так себе), зато через соседний светодиод будет херачить ток в два раза превышающий максимальный и через полчаса он сгорит (а может и быстрее, если повезет).

Очевидно, что такого неравномерного распределения мощностей нужно избегать.

Для того, чтобы существенно сгладить разброс в ТТХ светодиодов, лучше подключать их через ограничительные резисторы. Напряжение блока питания при этом может быть существенно выше прямого напряжения на светодиодах. Как подключать светодиоды к источнику питания показано на схеме:

Проблема такой схемы подключения светодиода в том, что чем больше разница между напряжением блока питания и напряжением на диодах, тем больше бесполезной мощности рассеивается на ограничительных резисторах и тем, соответственно, ниже КПД всей схемы.

Ограничение тока происходит по простой схеме: повышение тока через светодиод приводит к повышению тока и через резистор тоже (т.к. они включены последовательно). На резисторе увеличивается падение напряжения, а на светодиоде, соответственно, уменьшается (т.к. общее напряжение постоянно). Уменьшение напряжения на светодиоде автоматически приводит к снижению тока. Так все и работает.

В общем, сопротивление резисторов рассчитывается по закону Ома. Разберем на конкретном примере. Допустим, у нас есть светодиод с номинальным током 70 мА, рабочее напряжение при таком ток равно 3.6 В (это все берем из даташита к светодиоду). И нам нужно подключить его к 12 вольтам. Значит, нам нужно рассчитать сопротивление резистора:

Получается, что для питания светодиода от 12 вольт нужно подключить его через 1-ваттный резистор на 120 Ом.

Точно таким же образом, можно посчитать, каким должно быть сопротивление резистора под любое напряжение. Например, для подключение светодиода к 5 вольтам сопротивление резистора надо уменьшить до 24 Ом.

Значения резисторов под другие токи можно взять из таблицы (расчет производился для светодиодов с прямым напряжением 3.3 вольта):

Uпит ILED
5 мА 10 мА 20 мА 30 мА 50 мА 70 мА 100 мА 200 мА 300 мА
5 вольт 340 Ом 170 Ом 85 Ом 57 Ом 34 Ом 24 Ом 17 Ом 8.5 Ом 5.7 Ом
12 вольт 1.74 кОм 870 Ом 435 Ом 290 Ом 174 Ом 124 Ом 87 Ом 43 Ом 29 Ом
24 вольта 4.14 кОм 2.07 кОм 1.06 кОм 690 Ом 414 Ом 296 Ом 207 Ом 103 Ом 69 Ом

При подключении светодиода к переменному напряжению (например, к сети 220 вольт), можно повысить КПД устройства, взяв вместо балластного резистора (активного сопротивления) неполярный конденсатор (реактивное сопротивление). Подробно и с конкретными примерами мы разбирали этот момент в статье про подключение светодиода к 220 В.

Последовательное подключение

При последовательном же подключении светодиодов через них протекает один и тот же ток. Количество светодиодов не имеет значение, это может быть всего один светодиод, а может быть 20 или даже 100 штук.

Например, мы можем взять один светодиод 2835 и подключить его к драйверу на 180 мА и светодиод будет работать в нормальном режиме, отдавая свою максимальную мощность. А можем взять гирлянду из 10 таких же светодиодов и тогда каждый светодиод также будет работать в нормальном паспортном режиме (но общая мощность светильника, конечно, будет в 10 раз больше).

Ниже показаны две схемы включения светодиодов, обратите внимание на разницу напряжений на выходе драйвера:

Так что на вопрос, каким должно быть подключение светодиодов, последовательным или параллельным, может быть только один правильный ответ — конечно, последовательным!

Количество последовательно подключенных светодиодов ограничено только возможностями самого драйвера.

Идеальный драйвер может бесконечно повышать напряжение на своем выходе, чтобы обеспечить нужный ток через нагрузку, поэтому к нему можно подключить бесконечное количество светодиодов. Ну а реальные устройства, к сожалению, имеют ограничение по напряжению не только сверху, но и снизу.

Вот пример готового устройства:

Мы видим, что драйвер способен регулировать выходное напряжение только лишь в пределах 64…106 вольт. Если для поддержания заданного тока (350 мА) нужно будет поднять напряжение выше 106 вольт, то облом. Драйвер выдаст свой максимум (106В), а уж какой при этом будет ток — это от него уже не зависит.

И, наоборот, к такому led-драйверу нельзя подключать слишком мало светодиодов. Например, если подключить к нему цепочку из 10-ти последовательно включенных светодиодов, драйвер никак не сможет понизить свое выходное напряжение до необходимых 32-36В. И все десять светодидов, скорее всего, просто сгорят.

Наличие минимального напряжения объясняется (в зависимости от схемотехнического решения) ограничениями мощности выходного регулирующего элемента либо выходом за предельные режимы генерации импульсного преобразователя.

Разумеется, драйверы могут быть на любое входное напряжение, не обязательно на 220 вольт. Вот, например, драйвер превращающий любой источник постоянного напряжения (блок питания) от 6 до 20 вольт в источник тока на 3 А:

Вот и все. Теперь вы знаете, как включить светодиод (один или несколько) — либо через токоограничительный резистор, либо через токозадающий драйвер.

Как выбрать нужный драйвер?

Тут все очень просто. Выбирать нужно всего лишь по трем параметрам:

  1. выходной ток;
  2. максимальное выходное напряжение;
  3. минимальное выходное напряжение.

Выходной (рабочий) ток драйвера светодиодов — это самая важная характеристика. Ток должен быть равен оптимальному току для светодиодов.

Например, в нашем распоряжении оказалось 10 штук полноспектральных светодиодов для фитолампы:

Номинальный ток этих диодов — 700 мА (берется из справочника). Следовательно, нам нужен драйвер тока на 700 мА. Ну или чуточку меньше, чтобы продлить срок жизни светодиодов.

Максимальное выходное напряжение драйвера должно быть больше, чем суммарное прямое напряжение всех светодиодов. Для наших фитосветодиодов прямое напряжение лежит в диапазоне 3…4 вольта. Берем по-максимуму: 4В х 10 = 40В. Наш драйвер должен быть в состоянии выдать не менее 40 вольт.

Минимальное напряжение, соответственно, рассчитывается по минимальному значению прямого напряжения на светодиодах. То есть оно должно быть не более 3В х 10 = 30 Вольт. Другими словами, наш драйвер должен уметь снижать выходное напряжение до 30 вольт (или ниже).

Таким образом, нам нужно подобрать схему драйвера, рассчитанного на ток 650 мА (пусть будет чуть меньше номинального) и способного по необходимости выдавать напряжение в диапазоне от 30 до 40 вольт.

Следовательно, для наших целей подойдет что-нибудь вроде этого:

Разумеется, при выборе драйвера диапазон напряжений всегда можно расширять в любую сторону. Например, вместо драйвера с выходом на 30-40 В прекрасно подойдет тот, который выдает от 20 до 70 Вольт.

Примеры драйверов, идеально совместимых с различными типами светодиодов, приведены в таблице:

Светодиоды Какой нужен драйвер
60 мА, 0.2 Вт (smd 5050, 2835) см. схему на TL431
150мА, 0.5Вт (smd 2835, 5630, 5730) драйвер 150mA, 9-34V (можно одновременно подключить от 3 до 10 светодиодов)
300 мА, 1 Вт (smd 3528, 3535, 5730-1, LED 1W) драйверы 300мА, 3-64V (на 1-24 последовательно включенных светодиода)
700 мА, 3 Вт (led 3W, фитосветодиоды) драйвер 700мА (для 6-10 светодиодов)
3000 мА, 10 Ватт (XML2 T6) драйвер 3A, 21-34V (на 7-10 светодиодов) или см. схему

Кстати, для правильного подключения светодиодов вовсе не обязательно покупать готовый драйвер, можно просто взять какой-нибудь подходящий блок питания (например, зарядник от телефона) и прикрутить к нему простейший стабилизатор тока на одном транзисторе или на LM317.

Готовые схемы стабилизаторов тока для светодиодов можно взять из этой статьи.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о