Драйвер для светодиодов схема. Схемы драйверов светодиодов: особенности, типы и принципы работы

Как устроены светодиодные драйверы. Какие бывают схемы драйверов светодиодов. Как работают основные типы драйверов LED. Какие компоненты используются в схемах светодиодных драйверов. Как выбрать оптимальную схему драйвера для светодиодного светильника.

Устройство и принцип работы светодиодных драйверов

Светодиодный драйвер — это специализированный источник питания, предназначенный для управления работой светодиодов. Основная задача драйвера — обеспечить стабильный ток через светодиоды независимо от колебаний напряжения в сети.

Типовая структура светодиодного драйвера включает следующие основные блоки:

• Входной фильтр и выпрямитель
• Корректор коэффициента мощности (PFC)
• Преобразователь напряжения
• Схема стабилизации тока
• Схема управления и защиты

Как работает драйвер светодиодов? Входное переменное напряжение выпрямляется и фильтруется. Затем корректор коэффициента мощности формирует стабильное постоянное напряжение. Преобразователь преобразует это напряжение в необходимое для питания светодиодов. Схема стабилизации тока обеспечивает постоянный ток через светодиоды.

Основные типы схем светодиодных драйверов

Существует несколько базовых схем построения драйверов для светодиодов:

1. Линейные стабилизаторы тока

Простейший тип драйвера на основе линейного стабилизатора. Обеспечивает постоянный ток через светодиоды за счет рассеивания избыточной мощности на регулирующем элементе. Преимущества — простота, низкая стоимость. Недостатки — низкий КПД, значительный нагрев.

2. Импульсные понижающие преобразователи

Наиболее распространенный тип драйвера на основе понижающего DC-DC преобразователя (buck converter). Обеспечивает высокий КПД и хорошую стабилизацию тока. Как работает такой драйвер?

• Ключевой транзистор периодически подключает и отключает входное напряжение
• Индуктивность накапливает энергию и отдает ее в нагрузку
• Система управления регулирует скважность для поддержания заданного тока

3. Обратноходовые преобразователи

Драйверы на основе обратноходового преобразователя (flyback converter) обеспечивают гальваническую развязку и возможность работы в широком диапазоне входных напряжений. Принцип работы:

• Энергия накапливается в трансформаторе при открытом ключе
• При закрытии ключа энергия передается в нагрузку
• Выходной ток регулируется изменением времени накопления энергии

Ключевые компоненты схем драйверов светодиодов

Рассмотрим основные элементы, используемые в схемах драйверов для светодиодов:

Силовые полупроводниковые приборы

В качестве ключевых элементов чаще всего применяются:

• MOSFET-транзисторы — обеспечивают высокую эффективность на высоких частотах
• IGBT-транзисторы — для мощных драйверов на низких частотах
• Диоды Шоттки — для минимизации потерь при обратном восстановлении

Магнитные компоненты

Ключевую роль в работе импульсных преобразователей играют дроссели и трансформаторы. Они выполняют функции:

• Накопления энергии
• Фильтрации пульсаций тока
• Гальванической развязки (для трансформаторов)

Контроллеры и драйверы

Управление работой преобразователя осуществляют специализированные микросхемы:

• ШИМ-контроллеры — формируют управляющие импульсы
• Драйверы затвора — обеспечивают быстрое переключение силовых транзисторов
• Микроконтроллеры — реализуют сложные алгоритмы управления и защиты

Особенности схем драйверов для разных типов светодиодных светильников

Выбор оптимальной схемы драйвера зависит от типа и назначения светодиодного светильника:

Драйверы для бытовых светодиодных ламп

Основные требования — компактность, низкая стоимость, высокий КПД. Типовые решения:

• Однокаскадные обратноходовые преобразователи
• Резонансные преобразователи с мягким переключением
• Квазирезонансные flyback-преобразователи

Драйверы для уличных светильников

Ключевые особенности — высокая мощность, широкий диапазон входных напряжений, защита от перенапряжений. Оптимальные схемы:

• Двухкаскадные преобразователи с PFC
• LLC-резонансные преобразователи
• Многоканальные импульсные стабилизаторы тока

Драйверы для светодиодных прожекторов

Требования — высокая эффективность, точная стабилизация тока, возможность диммирования. Подходящие схемы:

• Синхронные понижающие преобразователи
• Резонансные преобразователи с фазовым управлением
• Многофазные параллельные преобразователи

Современные тенденции в разработке схем драйверов светодиодов

В настройке время активно развиваются следующие направления совершенствования схем драйверов:

Повышение энергоэффективности

Для увеличения КПД драйверов применяются:

• Синхронное выпрямление
• Резонансные топологии
• GaN и SiC силовые приборы

Улучшение электромагнитной совместимости

Снижение уровня ЭМП достигается за счет:

• Мягкого переключения транзисторов
• Оптимизации топологии печатных плат
• Применения активных фильтров ЭМП

Расширение функциональности

Современные драйверы обеспечивают:

• Многоканальное управление
• Беспроводное управление по Bluetooth/Wi-Fi
• Интеграцию с системами «умный дом»

Таким образом, схемы драйверов светодиодов постоянно совершенствуются, обеспечивая улучшение характеристик и расширение возможностей светодиодных светильников.

Схема драйвера светодиодной лампы: устройство ламп, разновидности схем

Чтобы выбрать драйвер для светодиодной лампы и, в дальнейшем, корректно установить его, нужно ознакомиться с необходимыми схемами и параметрами. Правильно подобранное устройство не только продлит срок службы изделия, но и сэкономит ваши денежные средства.

Contents

1. Устройство светодиодной лампы
2. Разновидности схем драйвера и их особенности
3. С конденсаторами для снижения напряжения
4. С импульсным драйвером
5. С диммируемым драйвером
6. Схема подключения драйвера к светодиодам

Устройство светодиодной лампы

Модели диодной лампы начали заменять стандартные. Стоят они дорого, но их технические параметры значительно превосходят устаревающие модели. Для понимания, как они работают, необходимо знать устройство светодиодной лампы.

Оно состоит из 5 элементов, которые соединены в одном корпусе:

• Цоколь – элемент, вкручиваемый в патрон люстры или другого светильника. Выпускают для:
  • бытового применения винтовой типа Е27 и Е14, изготовлен из латуни с никелевым антикоррозийным покрытием;
  • других нужд выпускаются источники света со штырьковым цоколем.
• Драйвер – элемент, который стабилизирует поступающее напряжение и изменяет переменный ток в постоянный. Так же он обеспечивает питание светодиода.
  Состоит из 3 частей:
  • микросхем;
  • импульсного трансформатора;
  • конденсаторов.

• Радиатор – элемент, который отводит тепло и обеспечивает для светодиодов оптимальный температурный режим для работы. Обычно он составляет видимую часть корпуса.
• Рассеиватель – прозрачный “колпак”, который помогает распределять свет в пространстве. Изготавливается в виде полусферы для рассеивания пучков света под широким углом. В качестве материала применяют поликарбонат или пластик.
  Предотвращает попадание внутрь корпуса пыли и влаги. Для смягчения резкости света и уменьшения раздражающего влияния на глаза этот элемент изнутри покрывают люминофором. При этом достигается цветовая температура, аналогичная естественному освещению.
• Светодиоды – главный рабочий элемент лампы, за счет него появляется свечение.
  Существует 4 основных технологии сборки чипа:
  • SMD-технология — самая распространенная в быту. Кристалл размещается на поверхности светового прибора;
  • DIP — световой элемент состоит из 1 мощного кристалла, сверху на который прикреплена линза;
  • Пиранья — любимчики автомобильной промышленности,присутствует 4 контакта;
  • COB-технология — продвинутая схема подключения светодиодных кристаллов, самый защищенный от перегрева и окисления вариант.

В недорогих изделиях драйвера может не быть, вместо него устанавливают блок питания, которые не обеспечивает ни стабилизации тока, ни напряжения.

Разновидности схем драйвера и их особенности

Производители в основном выпускают драйвера на интегральных микросхемах (ИМС), которые позволяют запитываться от пониженного напряжения.

Все преобразователи для LED-освещения, существующие на данный момент, делятся на:

• созданные на основе 1÷3 транзисторов — простые;
• с микросхемами с ШИМ — сложные.

Стандартная схема подключения LED-драйвера:

Соединение к источнику питания и количество светодиодов в нем воздействует на напряжение при выходе. Величина тока, который должен выдавать драйвер, напрямую зависит от общей мощности и яркости их излучения.

Мощность можно рассчитывать по формуле:

P = P(led) × n, где:

• P(led) – потенциал одного элемента;
• n — количество LED-элементов.

Важные моменты:

• Прямой номинальный ток – главный параметр любого светодиода. Занижая его, мы теряем в яркости, а завышая – резко сокращаем срок службы.
• Напряжение, приведенное в datasheet к светодиоду, не является определяющим и лишь указывает на то, сколько вольт упадёт на p-n-переходе при протекании номинального тока. Его значение необходимо знать.
• Для подключения мощных светодиодов важна качественная система охлаждения. При установке на радиатор светодиодов с мощностью потребления больше 0,5 Вт будет идти стабильная продолжительная деятельность.

Подключение светодиодов к драйверу:

Обязательно учтите цветовой фактор потребителя при расчете, так как он влияет на падение напряжения.

По качеству драйвера разделяют на 3 типа:

• низкого качества, работа до 20 тыс. часов;
• с усредненными параметрами — до 50 тыс. часов;
• преобразователь, состоящий из комплектующих известных брендов — 70 тыс. часов и больше.

С конденсаторами для снижения напряжения

Конденсатор C1 защищает от помех электросети, а C4 сглаживает пульсации. В момент подачи тока 2 резистора — R2 и R3 — ограничивают его и одновременно предохраняют от короткого замыкания, а элемент VD1 преобразует переменное напряжение.

Когда прекращается подача тока, конденсатор разряжается при помощи резистора R4. R2, R3 и R4 используются не всеми производителями.

Минусы:

1. Перегорание диодов, так как стабильности подачи тока не наблюдается. Напряжение на нагрузке полностью зависит от напряжения питания.
2. Нет гальванической развязки, существует риск удара током. Не рекомендуется во время разборки ламп прикасаться к токоведущим элементам, так как они находятся под фазой.
3. Практически невозможно достичь высоких токов свечения, потому что для этого потребуется увеличение емкостей конденсаторов.

С импульсным драйвером

Защищает от перепадов напряжения и помех в сети.

Примером служит модель CPC9909. Эффективность достигает 98 % — показателя, при котором действительно можно говорить об энергосбережении и экономии.

Питание устройства может происходить напрямую от высокого напряжения — до 550 В, так как драйвер оснащен встроенным стабилизатором.Схема стала проще, а стоимость — ниже.

Микросхему успешно используют для разработки электросетей аварийного и резервного освещения, так как она подходит для схем повышающих преобразователей.

В домашних условиях на базе CPC9909 чаще всего собирают светильники с питанием от батарей или драйверы с мощностью, не превышающей 25 В.

Импульсные драйверы имеют широкие диапазоны входных напряжений. Например, у микросхемы MAX16833 входной диапазон напряжений от 5 до 65 В, у MAX16822 — от 6,5 до 65 В.

Некоторые микросхемы позволяют задавать частоту преобразования от 20 кГц до 2 МГц. Контроллеры светодиодных драйверов MAX16801 и MAX16802 позволяют разработать DC/DC-преобразователь с выходным стабилизированным током до 10 А.

Драйверы MAX16807, MAX16809, MAX16838 и MAX16814 позволяют получить диапазон регулировки выходного тока с отношением 1:5000. Большинство импульсных светодиодных драйверов позволяют выбрать наиболее оптимальную топологию схемы для достижения максимальной эффективности работы.

С диммируемым драйвером

Диммер используется для плавной смены ярости свечения лампы. Одним из основных параметров является мощность. От мощности зависит максимальное количество подключаемых к нему светильников.

Регулировка яркости свечения осветительных приборов позволяет установить в помещении нужный уровень освещения. Это удобно:

• при создании отдельных зон;
• снижении яркости света в дневное время;
• для подчеркивания предметов интерьера.

Разделяются на группы по виду управления:

• механические;
• кнопочные;
• дистанционные.

С помощью диммера использование электроэнергии становится более рациональным, а ресурс службы электроприбора увеличивается.

Существует 2 вида:

• С ШИМ-управлением. Их устанавливают между лампой и блоком питания. Энергия подается в виде импульсов разной длительности.
• 2-ой вид. Применяются для устройств со стабилизированным током и воздействуют на сам источник питания.

Диммируемая светодиодная лампа е14 хорошо подходит для комплектации автоматизированных систем. Справляется с исполнением источника света. Они являются весьма востребованными у потребителей.

14 – это диаметр цоколя лампы, выраженный в миллиметрах. Сегодня эти лампочки выпускаются в различных формах:

• шар;
• капля;
• свеча;
• гриб.

Схема подключения драйвера к светодиодам

Существует 3 вида подключения, рассмотрим на примере с 6 потребителями. Потери напряжения у них составляют 3 В, потребляемый ток 300 мА:

• последовательный;
  
• параллельный;
  
• последовательный по 2.
  

Основные виды схем:

• На базе микросхемы. PT4115 имеет отдельный вывод для управления включением и выключением светодиодов. Используя этот вывод, можно легко получить диммируемый драйвер для светодиодного светильника.
  
  Диммируемый драйвер получается с помощью изменения уровня потенциала на выводе DIM (непрерывный режим работы драйвера), либо подавая на него импульсный сигнал нужной скважности (импульсный режим со стробоскопическим эффектом).
  В последнем случае максимальная частота следования импульсов – 50 кГц.
  
• Плавное включение светодиодов, если между выводом DIM и “землей” включить конденсатор. Время выхода на максимальную яркость будет зависеть от емкости конденсатора, чем она больше, тем соответственно дольше будет разгораться светильник.
  
• С регулятором яркости постоянным напряжением. Работает благодаря тому, что внутри микросхемы вывод DIM “подтянут” к шине 5 В через резистор сопротивлением 200 кОм.
  Когда ползунок потенциометра находится в крайнем верхнем положении, образуется делитель напряжения 200 + 200 кОм и на выводе DIM формируется потенциал 5/2 = 2.5 В, что соответствует 100 % яркости.
  
• Без гальванической развязки. Проста и надежна. Делитель основан на емкостном сопротивлении. Электролитический конденсатор сглаживает пульсации после выпрямления.
  L7812 – сам стабилизатор.
  

Драйверы предназначены для сглаживания всех прыжков тока в электросистеме. К их выбору или самостоятельной сборке нужно подходить ответственно и только после просчета всех требуемых параметров. Схемы драйверов помогут выбрать нужный прибор и верно его установить.

Управляемый светодиодный драйвер на базе компонентов ST

5 ноября 2021

светотехникапотребительская электроникауниверсальное применениеSTMicroelectronicsстатьяинтегральные микросхемыисточники питанияоптоэлектроникабеспроводные технологиидискретные полупроводникиLEDIoTУмный домLED Driver

Игорь Елисеев (г. Химки)

Компания ST предлагает двухмодульный отладочный комплект на базе контроллера HVLED001B для разработки светодиодного драйвера светильника наружного освещения с дистанционным управлением по сети 6LoWPAN.

Несмотря на огромный ассортимент светодиодных драйверов, выпускаемых производителями источников питания, в ряде случаев невозможно подобрать подходящий вариант, полностью удовлетворяющий требованиям к осветительному прибору по совокупности технических и эксплуатационных характеристик. Серийным изделиям может не доставать какой-либо специфической характеристики или функции, либо ни одно из них не подходит по конструктивному исполнению, или же производителя светодиодных светильников не устраивают цены на готовые изделия – так или иначе, встает вопрос о разработке собственного светодиодного драйвера.

Разработка собственного источника питания, в том числе и светодиодного драйвера – далеко не тривиальная задача. Любое устройство, подключаемое к сети переменного тока общего назначения, должно соответствовать по техническим характеристикам многочисленным современным стандартам и нормативам, принятым в отрасли, важнейшие из которых – нормы по электромагнитной совместимости. Светодиодный драйвер, помимо стандартных требований к источникам питания, должен удовлетворять нормативам по пульсациям выходного тока в соответствии с санитарными нормами и правилами (СНиП), принятыми в области освещения. В целом, разработка светодиодного драйвера требует наличия высококвалифицированных специалистов и массы времени на макетирование и испытания. К счастью, некоторые производители электронных компонентов предлагают готовые решения, адаптируемые под конкретную задачу, что не займет много времени и не потребует наличия высококвалифицированных инженеров-разработчиков.

Одно из таких решений компании ST – отладочный комплект под названием STEVAL-LLL008V1 для разработки светодиодного драйвера с дистанционным управлением по сети 6LoWPAN.

Рис. 1. Модуль светодиодного драйвера (power board)

Рис. 2. Модуль связи и управления (connectivity board)

В состав комплекта входят два функциональных модуля, один из которых представляет собой собственно светодиодный драйвер (рисунок 1), а второй (рисунок 2) отвечает за формирование сигналов управления драйвером и за связь с беспроводной сетью. На рисунке 3 условно изображены структурные схемы модулей, их взаимодействие между собой, подключение внешней нагрузки (цепочки светодиодов) к выходу драйвера и связь с беспроводной сетью 6LoWPAN.

Рис. 3. Схема подключения светодиодного драйвера к нагрузке и к сети управления

Светодиодный драйвер (на рисунке 3 – выделенная пунктиром светло-зеленая область, обозначенная как «power board») рассчитан на работу в составе уличного светильника большой мощности, имеет высокий коэффициент полезного действия, встроенный корректор коэффициента мощности, гальваническую развязку между входом и выходом, а также низкие значения потребляемой мощности в отсутствие нагрузки, коэффициента нелинейных искажений и пульсаций тока на выходе. Драйвер выполнен по двухкаскадной схеме, где первый каскад выполняет функцию преобразователя с корректором коэффициента мощности, выдавая стабилизированное постоянное напряжение на второй (оконечный) каскад, служащий для непосредственного управления светодиодной нагрузкой. Основные технические характеристики драйвера приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные технические характеристики светодиодного драйвера

Параметр	Значение
Входное напряжение переменного тока, В	90…265
Среднее значение напряжения на выходе первого каскада, В	79
Максимальный размах пульсаций на выходе первого каскада, В	1,8
Максимальный ток на выходе оконечного каскада, А	1,4
Напряжение на выходе оконечного каскада, В	40…70
Максимальная выходная мощность, Вт	100
Коэффициент полезного действия при токе нагрузки 1,4 А, не менее	90%
Собственная потребляемая мощность в отсутствие нагрузки, Вт	0,3
Максимальная величина пульсаций выходного тока, мА, не более	100
Коэффициент мощности при мощности нагрузки 100 Вт, не менее	95%
Коэффициент нелинейных искажений при мощности нагрузки 100 Вт, не более	15%

Входное переменное напряжение через сетевой фильтр и выпрямительный мост поступает на вход первого каскада, реализованного по схеме обратноходового преобразователя с корректором коэффициента мощности на базе микросхемы контроллера HVLED001B (рисунок 3, выделенная область под названием «Flyback topology»). Работа преобразователя основана на принципе периодического накопления определенной порции электрической энергии в цепи катушки индуктивности с последующей передачей кванта накопленной энергии в цепь нагрузки. В качестве накопителя энергии выступает многообмоточный дроссель, в первичную цепь которого включен мощный MOSFET, играющий роль ключевого транзистора (STF23N80K5 на рисунке). Когда транзистор открыт, через первичную обмотку дросселя начинает нарастать значение тока. Этот этап носит название прямого хода. При этом энергия в нагрузку не передается, так как диод во вторичной цепи (STTh40R03CG на рисунке) закрыт отрицательным напряжением на обмотке. Когда ключевой транзистор закрывается, ток в первичной обмотке начинает уменьшаться (обратный ход), протекая через открывшийся в результате смены полярности диод STTh208A. При этом меняется полярность и во вторичной обмотке, в результате чего ток через открывшийся диод STTh40R03CG начинает поступать в нагрузку. Меняя скважность импульсов на затворе управляющего транзистора, можно контролировать количество энергии, передаваемой из первичной цепи во вторичную, а следовательно, и выходную мощность нагрузки. За это отвечает микросхема контроллера, с выхода GATE DRIVER которой  управляющий сигнал ШИМ поступает на затвор ключевого транзистора. В данной схеме включения, именуемой PSR (Primary Side Regulation – регулирование по первичной цепи) сигнал управления силовым транзистором формируется, исходя из момента перехода через ноль и в зависимости от величины напряжения на обмотке дросселя во время обратного хода. С этой целью сигнал с дополнительной обмотки подается на вход ZCD (Zero Current Detection) контроллера. Так как напряжение на дополнительной обмотке дросселя прямо пропорционально напряжению во вторичной цепи, контроллер имеет возможность контролировать и компенсировать любые изменения напряжения в выходной цепи, независимо от того, чем они вызваны – колебаниями напряжения в сети или изменениями самой нагрузки. В результате на выходе преобразователя поддерживается стабильное напряжение. Необходимо отметить, что в реальной схеме светодиодного драйвера сигнал обратной связи с дополнительной обмотки дросселя поступает на вход ZCD контроллера не напрямую, как показано на рисунке 3, а через делитель напряжения. Меняя номиналы сопротивлений делителя, можно задавать величину выходного напряжения преобразователя.

В конструкции отладочной платы драйвера предусмотрены отдельные контакты, на которые выведены выходные цепи обратноходового преобразователя (первого каскада). В документации на отладочный комплект также приведены рекомендации, как отключить второй (оконечный) каскад и подключить нагрузку непосредственно к первому, превращая тем самым двухкаскадную схему драйвера в однокаскадную. Таким образом, пользователю предоставляется возможность исследовать работу простой схемы преобразователя, выполненного на базе одной микросхемы контроллера HVLED001B и одного силового транзистора STF23N80K5. Несмотря на простоту решения и относительно небольшое количество комплектующих, такой преобразователь представляет собой законченное полнофункциональное изделие – источник питания с корректором коэффициента мощности, с гальванической развязкой, с высокими показателями по коэффициенту полезного действия и уровню нелинейных искажений. Более того, возможности микросхемы контроллера HVLED001B позволяют реализовать на ее основе полноценный светодиодный драйвер, добавив к схеме всего несколько компонентов. Так как данный преобразователь выполняет функцию стабилизации выходного напряжения, а для светодиодного драйвера требуется стабилизация по току, то необходимо передавать информацию о величине выходного тока в цепь обратной связи контроллера. Для этой цели, а также для обеспечения гальванической развязки между компонентами схемы, применяется оптопара. Входные цепи оптопары непосредственно или через усилитель подключаются к датчику тока, включенного последовательно с нагрузкой. Роль такого датчика обычно выполняет высокоточный резистор небольшого сопротивления. Выходы оптопары включаются непосредственно в цепь обратной связи контроллера. У микросхемы контроллера HVLED001B предусмотрен специальный вход OPTO, предназначенный для подключения открытого коллектора выходного транзистора оптопары. Такой вариант включения микросхемы контроллера HVLED001B (с оптопарой в цепи обратной связи) называется SSR (Secondary Side Regulation – регулирование по вторичной цепи). Это вовсе не означает, что в данном случае полностью отменяется регулирование по первичной цепи, как описано выше. Все так же сигнал с дополнительной обмотки дросселя поступает на вход ZCD и учитывается в процессе принятия решения контроллером. Но теперь контроллер должен также учитывать сигналы с оптопары. Внутренняя схема контроллера определяет, какой из сигналов имеет более высокий приоритет, и, в зависимости от этого, формирует сигнал управления силовым транзистором.

Следует отметить еще несколько замечательных возможностей микросхемы контроллера HVLED001B. В первую очередь это – наличие высоковольтной схемы запуска. Схема запуска необходима для инициации работы контроллера в момент подключения драйвера к сети. Обычно для запитки схемы запуска используется невысокое напряжение, что предполагает наличие дополнительной низковольтной схемы питания. Для контроллера HVLED001B ничего такого не требуется, что существенно упрощает схему и конструкцию преобразователя. Вывод контроллера HVSU, предназначенный для инициации процедуры запуска, способен выдерживать напряжения до 800 В, что позволяет подключать его непосредственно к выходу сетевого мостового выпрямителя. Дополнительно этот вывод используется для контроля за сетевым напряжением. Вторая ключевая особенность контроллера HVLED001B – наличие нескольких схем защиты. Контроль за входным напряжением на выводе HVSU позволяет защититься от скачков напряжения в сети. Для защиты от перегрузок по току служит вывод контроллера CS, на который поступает напряжение с датчика тока (резистора небольшого сопротивления), включенного в цепь силового транзистора. Защита выходных цепей от короткого замыкания, перегрузки или перенапряжения осуществляется путем контроля за напряжением на выводе ZCD. Если преобразователь выполнен по схеме с оптопарой, то можно организовать дополнительный контроль за выходом. Например, если в выходной цепи установлен датчик тока, возможно регистрировать отсутствие нагрузки и отключать преобразователь. Наконец, третья особенность контроллера HVLED001B, о которой стоит упомянуть – это наличие встроенной схемы под названием ART (Auto Recover Timer — таймер автоматического восстановления). Этот таймер запускается после срабатывания защиты и с заданной периодичностью проверяет, не устранена ли проблема. Если причина срабатывания защиты исчезла, запускается нормальный режим работы контроллера.

Микросхема контроллера HVLED001B отлично подходит для создания нерегулируемых источников питания. Если же необходимо дистанционно управлять драйвером, например, регулировать выходной ток, в этом случае нужно применять двухкаскадную схему, как в рассматриваемом здесь отладочном комплекте, где функция регулировки возложена на оконечный каскад. В данном случае оконечный каскад выполнен по схеме, которая в англоязычной документации именуется «inverse buck converter» (понижающий преобразователь в обратном включении). На самом деле эта схема (выделенная область на рисунке 3, обозначенная как «Inverse buck») представляет собой обычный понижающий преобразователь, а термин «inverse», который можно перевести как «обратный» или «перевернутый», относится по сути к месту подключения силового транзистора (ключа). Действительно, в классической схеме понижающего преобразователя ключевой транзистор включен в схему со стороны шины питания, а здесь – со стороны земли. Подобная схема включения обусловлена тем, что управлять силовым транзистором со стороны земли намного проще. При этом принцип функционирования схемы преобразователя абсолютно ничем не отличается от классического варианта. Работа схемы основана на накоплении энергии в индуктивном элементе в то время, когда ключ открыт, и передаче накопленной энергии в нагрузку, когда ключ закрывается. Роль ключа в данном случае выполняет мощный MOSFET STL4N10F7. Когда транзистор открыт, ток протекает через нагрузку (цепочку светодиодов) и через катушку индуктивности. А когда транзистор закрывается, ток через катушку индуктивности начинает снижаться, из-за чего меняется полярность напряжения на ее выводах, что, в свою очередь, приводит к открытию диода, и ток начинает течь по цепи «индуктивность-диод-нагрузка». В определенный момент транзистор снова открывается, ток через индуктивность начинает нарастать, в результате чего полярность напряжения на ней меняется, диод закрывается и весь цикл повторяется снова. Очевидно, что максимальный ток нагрузки в точности соответствует той величине тока, которая была в момент закрытия ключевого транзистора. Таким образом можно контролировать величину тока нагрузки – закрывать транзистор ровно в тот момент, когда ток через него достигнет заданной величины. На этом принципе основана работа схемы управления, в качестве которой выступает микросхема контроллера HVLED002.

Рис. 4. Блок-схема контроллера HVLED002

Блок-схема контроллера HVLED002 приведена на рисунке 4. Напряжение питания поступает на вывод 7 контроллера (Vi). На рисунке 3 условно показано, что питание на вывод Vi поступает непосредственно с дополнительной обмотки дросселя. В реальной схеме светодиодного драйвера напряжение с дополнительной обмотки поступает сначала на управляемый линейный стабилизатор напряжения, и уже с его выхода идет на вывод Vi контроллера и на LDO-стабилизатор (Low Drop Output – линейный стабилизатор с низким падением напряжения) с напряжением  на выходе 3,3 В, которое используется для питания микроконтроллера на плате управления. За счет этого, не показанного на рисунке 3, стабилизатора осуществляется включение/выключение всего оконечного каскада через регулирование напряжения питания контроллера. В состав контроллера входит схема UVLO (UnderVoltage LockOut – отключение при снижении напряжения) которая отключает внутреннюю шину питания контроллера, если напряжение на входе Vi ниже допустимого уровня. Схема UVLO обладает гистерезисом – включается при напряжении на Vi больше 8,4 В и отключается, если это значение меньше 7,6 В. Для отключения оконечного каскада микроконтроллер снижает напряжение на выходе управляемого стабилизатора до низкого уровня (примерно 5,5 В), что недостаточно для работы контроллера HVLED002, но вполне подходит для функционирования самого микроконтроллера. Для включения оконечного каскада микроконтроллер производит обратное действие – поднимает напряжение управляемого стабилизатора выше 8,4 В, но не более 30 В (предельно допустимое напряжение на входе Vi контроллера).

Выходной каскад контроллера работает в ключевом режиме, находясь либо во включенном состоянии, когда напряжение на выходе OUTPUT практически совпадает с питающим (как на входе Vi), либо в выключенном, когда выходное напряжение близко к нулю. Сигналы на включение и выключение поступают от внутренних схем контроллера, которые, в свою очередь, получают управляющие сигналы извне, от элементов схемы преобразователя. Контроллер HVLED002 может быть включен в состав схемы преобразователя несколькими способами. Вариант схемы включения, используемый в данном светодиодном драйвере, представлен в упрощенном виде на рисунке 5.

Рис. 5. Упрощенная схема включения контроллера HVLED002

Когда на выходе OUTPUT контроллера – высокое значение напряжения, открывается ключевой транзистор Q2, и ток, постепенно нарастая, начинает протекать через нагрузку (цепочку светодиодов), далее – через катушку индуктивности L, открытый транзистор Q2 и резистор Rs. Одновременно открывается транзистор Q1, разряжая конденсатор CT. Напряжение с резистора Rs, пропорциональное току нагрузки, поступает на вход контроллера Isense. Внутренняя схема компаратора (CURRENT SENSE COMPARATOR на рисунке 4) сравнивает значение напряжения на входе Isense с частью напряжения, которое формируется на выходе усилителя рассогласования, обозначенного как ERROR AMP (усилитель ошибки). Усилитель рассогласования, в свою очередь, сравнивает напряжение на входе обратной связи VFB  с высокоточным опорным 2,5 В ± 2%. Пока напряжение на входе VFB ниже 2,5 В, усилитель рассогласования вырабатывает сигнал положительной полярности, пропорциональный разнице напряжений на входе VFB и опорного 2,5 В. Далее это напряжение через два последовательно соединенных диода и делитель напряжения 2R-R поступает на вход компаратора. Таким образом, значение напряжения на входе компаратора должно быть равно одной трети от напряжения на выходе усилителя рассогласования за вычетом падения напряжения на диодах (1,4 В). Так и есть до тех пор, пока это напряжение не превышает величину MAXCS (напряжение открытия стабилитрона), которое равно 267 ± 9 мВ. Так как в данном случае напряжение на входе VFB равно нулю, то напряжение на выходе усилителя рассогласования имеет максимально возможное положительное значение (не более 5,6 В из-за наличия внешнего стабилитрона), а следовательно, напряжение на инвертирующем входе компаратора (CURRENT SENSE COMPARATOR) будет в точности равно MAXCS. Как только значение напряжения на входе Isense превысит данную величину, выходной каскад отключится, и напряжение на выходе OUTPUT упадет до нуля, закрывая транзисторы Q1 и Q2. Ток через нагрузку, постепенно снижаясь, продолжит течь через открывшийся диод D за счет энергии, накопленной в катушке индуктивности L. Одновременно стартует процесс заряда конденсатора CT через резистор RT от источника опорного напряжения VREF (5,0 ± 0,05 В). Когда напряжение на конденсаторе CT достигает заданного уровня, встроенный компаратор выдает сигнал на включение. На выходе OUTPUT контроллера появляется высокое напряжение, транзисторы Q1 и Q2 открываются, и весь рабочий цикл повторяется. Данный алгоритм работы носит название FOT (Fixed Off-Time – фиксированное время отключения). То есть, время нахождения ключевого транзистора в отключенном (закрытом) состоянии строго фиксировано и определяется постоянной времени RC-цепочки, образованной резистором RT и конденсатором CT. Следует отметить, что величина пульсаций тока нагрузки напрямую зависит от времени закрытого состояния транзистора. Для снижения уровня пульсаций необходимо уменьшать постоянную времени RC-цепочки. Но при этом необходимо учитывать тот факт, что при уменьшении постоянной времени RC-цепочки возрастает частота переключений, которая согласно документации на контроллер HVLED002 не должна превышать 500 кГц. Сказанное выше иллюстрируют осциллограммы на рисунке 6: зеленым цветом показана кривая тока нагрузки, желтый цвет соответствует напряжению на выводе OUTPUT контроллера (и, соответственно, на стоке ключевого транзистора), а синим светом обозначено напряжение диммирования (в данном случае – постоянная величина).

Рис. 6. Осциллограммы работы выходного каскада в отсутствие сигналов димминга

Как уже упоминалось, сигналы внешнего управления (диммирование и включение/выключение) формируются микроконтроллером, который располагается на втором модуле отладочного комплекта (рисунок 2). Этот модуль подключается к плате драйвера с помощью специального разъема. Важно отметить, что если не подключать модуль управления, то необходимо с платы драйвера удалить резистор R62 номиналом 1,0 кОм, иначе выходной каскад работать не будет.

ШИМ-сигнал диммирования, формируемый микроконтроллером (условно обозначенным на рисунке 5 как µC), с одного из выходов (GPIO) поступает на вход VFB контроллера HVLED002 через промежуточные цепи, которые для простоты не показаны. В моменты, когда ШИМ-сигнал имеет низкое значение (напряжение, близкое к нулю), контроллер работает как обычно. Но при высоком уровне сигнала (3,3 В) напряжение на входе VFB контроллера становится выше опорного (2,5 В), в результате чего напряжение на выходе усилителя рассогласования (а, следовательно, и на инвертирующем входе компаратора) падает до нуля, что вызывает срабатывание компаратора и, как следствие, отключение выходного каскада контроллера. Осциллограммы токов и напряжений в узлах схемы преобразователя в режиме диммирования показаны на рисунке 7, где зеленым цветом обозначен ток нагрузки, желтым – сигнал OUTPUT на выходе контроллера (что также соответствует напряжению на стоке и току через силовой MOSFET), а голубым – импульсы ШИМ-сигнала диммирования.

Рис. 7. Осциллограммы работы выходного каскада в режиме диммирования

Микроконтроллер STM32L071KZ с прошивкой (firmware) STSWLLL008FW. в свою очередь, управляется командами, поступающими из беспроводной сети 6LoWPAN посредством модуля трансивера SPSGRFC на 868 МГц (рисунок 8).

Рис. 8. Модуль трансивера SPSGRFC

6LoWPAN расшифровывается как «IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks» – IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей. Термин «маломощная беспроводная персональная сеть» в этом определении относится к сетям стандарта IEEE 802.15.4, а IPv6 (Internet Protocol version 6) – это новая версия интернет-протокола (IP), пришедшая на смену широко применяемому в настоящее время протоколу IPv4. Главное отличие IPv6 от IPv4 заключается в длине адреса – 128 бит, в то время как в старом протоколе используется 32-битный адрес. В связи с лавинообразным ростом сети интернет количество свободных 32-битных IP-адресов быстро заканчивается. Главным образом это связано с широким внедрением интернета вещей. Каждому из устройств новой технологии требуется индивидуальный IP-адрес. В сетях стандарта IEEE 802.15.4 также применяется индивидуальная адресация, где в качестве адреса используется уникальный 64-битный идентификатор устройства. Для того, чтобы адресоваться к индивидуальному устройству в локальной сети стандарта IEEE 802.15.4 из глобальной сети интернет, достаточно присвоить локальной сети уникальный 64-битный идентификатор, который будет использоваться как старшая часть IPv6 адреса (старшие 64 бита, обычно именуемые префиксом), а младшие 64 бита будут соответствовать адресу в локальной сети. Что касается самих сетей стандарта IEEE 802.15.4, они достаточно медленные, скорость обмена данными в них составляет обычно всего несколько сотен килобит в секунду (в данном случае у трансивера SPSGRFC скорость передачи данных может достигать 500 кбайт/с, что можно считать достаточно высоким показателем), они не предназначены для обмена большими массивами данных. Но высокие скорости и большие объемы передаваемых данных в этих сетях и не требуются. Такие сети находят широкое применение в локальных системах автоматизации и управления, таких как умный дом, или, как в данном случае, в системе уличных светильников, где данные передаются небольшими пакетами и с низкой периодичностью. Чтобы управлять отдельными компонентами этой сети, требуется устройство, непосредственно с ней связанное, являющееся ее частью. Благодаря появлению стандарта 6LoWPAN появилась возможность прямого удаленного адресного управления отдельными  устройствами в сетях IEEE 802.15.4 через интернет.

Для отладки и изучения возможностей управления светодиодным драйвером посредством беспроводной сети компания ST предлагает отладочную плату NUCLEO-F401RE в комплекте с модулем беспроводной связи X-NUCLEO-IDS01A4 и модулем Bluetooth X-NUCLEO-IDB05A2 для коммуникации с мобильным устройством. В дополнение к аппаратным средствам необходимо разработанное ST Android-приложение, которое можно скачать из Google Play. Полное название этого приложения – ST 6LoWPAN Smart Streetlight.

Таким образом, компания ST обеспечивает разработчиков полным комплектом аппаратных и программных средств, необходимых для создания светодиодных драйверов высокого качества с превосходными техническими характеристиками на современной элементной базе. Кроме того, документация на отладочный комплект STEVAL-LLL008V1 содержит огромное количество полезной информации, необходимой для более глубокого ознакомления с принципами работы и характеристиками драйвера. В частности, документация содержит полные принципиальные схемы светодиодного драйвера и платы управления, полный перечень электронных компонентов с указанием номиналов, наименований и производителей, множество графиков и диаграмм, демонстрирующих зависимости между параметрами и характеристиками, и, что представляет особый интерес, реальные осциллограммы токов и напряжений в контрольных точках схемы драйвера в различных режимах работы. Представлены даже тепловые карты платы драйвера (снятые тепловизором) при полной нагрузке, с  двух сторон, при двух режимах работы. Нет никаких сомнений в том, что всего этого с лихвой хватит любому разработчику, даже не обладающему достаточным опытом в разработке источников питания, для создания качественного светодиодного драйвера с заданными характеристиками на базе электронных компонентов компании ST.

•••

Advanced LED Driver Circuit Design

Одним из первых проектов, за который берутся начинающие разработчики или инженеры-электронщики, является создание мигающего светодиода. Выполнить эту задачу с помощью простого резистора для ограничения тока относительно просто. Тогда многие люди считают, что это стандартная «конечная цель» для управления светодиодами. Для простых светодиодных индикаторов и маломощного освещения такое линейное управление светодиодами подходит, но многие приложения требуют другого подхода. В этой статье я описываю несколько распространенных альтернативных стратегий и некоторые неортодоксальные методы, которые мы использовали в прошлом для схем драйверов светодиодов. Советы по проектированию печатной платы для мощных приложений можно найти в нашей статье на эту тему здесь.

 

Основные соображения

Основное соображение при принятии решения о том, как управлять светодиодами, — допустимая потеря мощности. В устройствах с батарейным питанием эта потеря мощности соответствует сокращению срока службы батареи. В мощных светодиодных приложениях это эквивалентно выделяемому теплу. Прежде чем выбрать, как управлять светодиодами, подумайте, какую мощность ваша конструкция позволяет рассеивать. Это определяет большинство решений.

Другим важным фактором является количество используемых светодиодов. Не только общее количество, но и сколько разных цветов/типов? Чем больше разнообразия, тем сложнее становится, так как сложнее согласовать прямое напряжение от одной нити к другой. Понимание общего количества светодиодов также необходимо для определения управляющего напряжения для их последовательного включения.

Линейный привод от микроконтроллера

 

Рис. 1. Самая простая схема драйвера светодиодов. Слаботочным светодиодом можно управлять напрямую с вывода ввода/вывода микроконтроллера.

 

Цепь линейного привода — это любая схема, в которой вся избыточная мощность рассеивается в виде тепла. Самым простым примером этого является схема светодиод-резистор, как упоминалось ранее. Если ток, подаваемый на светодиод, минимален, то он обычно может напрямую управляться от вывода микроконтроллера, такого как Arduino, как показано на рисунке 1. Основным недостатком любой схемы линейного драйвера светодиода является рассеивание избыточной мощности. Также крайне важно убедиться, что имеется достаточный «запас» напряжения, чтобы можно было управлять светодиодами.

 

Рис. 2. Схема светодиода с линейным управлением. R1 необходим для рассеивания всей мощности от избыточного напряжения; Выбранный резистор должен быть в состоянии безопасно рассеивать мощность.

 

Линейный привод от полевого МОП-транзистора

На рис. 2 показана схема драйвера светодиодов, управляемая n-канальным полевым МОП-транзистором нижнего плеча для включения/выключения светодиодов. FET также позволяет регулировать яркость ШИМ. Используя закон Ома, и со светодиодами, имеющими прямое напряжение 2 В каждый: V = IR, 12-(5 * 2) = I * 4, 92 * 4 = P = 1W . Рассеивание 1 Вт — это много для одного резистора, и для этого требуется резистор размером 2512 или больше для поверхностного монтажа.

Другой вариант, который мы с большим успехом использовали в линейных схемах светодиодов, заключается в разделении токоограничивающих резисторов. Вместо того, чтобы использовать один резистор 4R, два резистора 2R будут использоваться последовательно, равномерно распределяя рассеиваемую мощность между ними, используя вместо этого резисторы 1210. Это также позволяет стратегически разместить резисторы на плате, равномерно распределяя тепло. На рис. 6 показано, как разделение резисторов работает с разными светодиодами.

 

Линейный привод от источника/драйвера постоянного тока

Многие «встроенные» драйверы светодиодов подают постоянный ток на цепочку светодиодов. Эти драйверы предлагают гораздо больше удобства, чем схемы, управляемые резистором. Однако важно отметить, что эти драйверы по-прежнему используют линейную технологию. Крайне важно понять, сколько энергии будет рассеивать драйвер, и убедиться, что она находится в безопасном диапазоне.

 

Рис. 3. Линейный драйвер светодиодов TI. Хотя эти драйверы добавляют много удобства, они не более эффективны, чем использование стандартной схемы светодиод-резистор.

 

На рис. 3 показан пример линейного восьмижильного драйвера светодиодов. Драйвер управляет тремя цепями одинаковых светодиодов из предыдущей схемы. Температура ограничивает максимальную мощность, которую драйвер может рассеивать. При максимальной температуре 100°C он может рассеивать максимум около 1,8 Вт. Чип также ограничен максимальным током 70 мА на нить. Чтобы рассчитать мощность, рассеиваемую микросхемой при 70 мА, для каждой жилы: P=IV, P/3=0,07*(12-10), P=0,42 Вт. 0,42 Вт находится в безопасном диапазоне для этого чипа, поэтому его можно использовать как есть. Если мощность была слишком высокой, можно разместить резистор на каждой жиле. Пока резистор имеет правильный размер, он будет рассеивать часть мощности, а чип рассеивает остальную часть. Этот трюк, показанный на рисунке 4, весьма полезен, когда длина прядей не сбалансирована.

 

Рис. 4. Линейный драйвер светодиодов на базе TI. Чип управляет 8 цепями светодиодов, одна из которых намного короче остальных. Два резистора по 100 Ом уравновешивают эту нить, рассеивая часть избыточного тепла.

 

Постоянный ток от переключаемого драйвера светодиодов

Импульсный драйвер светодиодов постоянного тока работает аналогично линейному драйверу, за исключением того, что он использует топографию переключения. Это переключение позволяет ему работать при превышении 80%-90% эффективность. Существенным недостатком смены драйверов является их дороговизна. Имея на борту какой-либо импульсный источник питания, также возникает нежелательный шум в режиме переключения.

 

Рис. 5. Схема на основе AL8860 очень эффективно управляет тремя светодиодами.

 

На рис. 5 показана схема импульсного драйвера светодиодов на основе AL8860. Он управляет одной нитью светодиодов от любого напряжения от 5 до 40 В. В зависимости от подаваемого напряжения и напряжения светодиодов этот чип способен работать до 9КПД 7% при токе около 1А. В идеальных условиях вы можете управлять цепочкой светодиодов при токе 1А, рассеивая при этом менее десятой доли ватта от чипа! Это существенное отличие от предыдущих примеров с использованием линейной технологии. Существуют также понижающе-повышающие драйверы, которые принимают 5 В (например) в качестве входа и могут управлять светодиодными цепями до 20 В. Они, как правило, не так эффективны, как выпадающие регуляторы, но все же их можно рассмотреть.

 

Реальная схема драйвера светодиодов, пример

Мы с большим успехом использовали необычный метод управления светодиодами. Он сочетает в себе линейный привод и импульсный привод, предлагая преимущества обоих. Это особенно полезно, когда есть много разных цветов светодиодов.

Например, у нас есть 100 светодиодов с током 1 А каждый и 5 разными цветами. Входное питание 24 В постоянного тока с раздельным управлением цветами. Нам нужно подключить 28 красных (прямое напряжение = 2,1 В), 20 желтых (Vf = 2,5 В), 10 желтых (Vf = 2,8 В), 22 зеленых (Vf = 2,5 В) и 20 белых (Vf = 4 В). Да, это крайний пример — и по требуемой мощности, и по количеству светодиодов — но мы недавно разработали подобную плату!

 

Много водителей!

При управлении светодиодами с током 1 А очевидным первым выбором является использование переключающей схемы драйвера светодиодов. Проблема, возникающая при таком подходе, заключается в том, что при такой высокой мощности переключающие драйверы смогут управлять только одной цепью каждый. Это означает, что нам потребуется много драйверов на этой плате. Чем больше переключающих драйверов на плате, тем больше шума при переключении. Разделение нитей дает нам:

1. 11 КРАСНЫЙ, 23,1 В
2. 11 RED, 23.1V
3. 6 RED, 12.6V
4. 9 AMBER, 22.5V
5. 9 AMBER, 22.5V
6. 2 AMBER, 5V
7. 8 YELLOW, 22.4V
8. 2 YELLOW, 5.6V
9. 8 Зеленый, 22,5 В
10. 8 Зеленый, 22,5 В
11. 6 Зеленый, 15 В
12. 5 Белый, 20 В
13. 5 Белый, 20 В
14. 5 Белый, 20 В
15. 5 Белый, 20 В

, 20 В. Различные драйверы светодиодов с переключением режимов на одной печатной плате наверняка вызовут кошмары у любого, кто работает с EMC! Хотя управлять ими таким образом вполне возможно, для этого потребуется обширная фильтрация, гарантирующая отсутствие наложения шума импульсного режима на шины питания. Для этого проекта большой радиатор должен быть на обратной стороне платы. Хотя мы хотели ограничить выделяемое тепло, у нас была некоторая гибкость в нашей конструкции. Я лучше буду иметь дело с жарой, чем с 15 переключателями!

Линейное питание всех жил от 24 В потребовало бы огромного количества рассеиваемой мощности, больше, чем это было бы возможно, особенно на коротких жилах. Например, нить номер 6: P=IV=1A*(24V-5V)=19W. Удачи в поиске стандартного резистора или линейного драйвера для рассеивания 19 Вт мощности!

 

Альтернативное решение

Мы решили сначала управлять длинными проводами непосредственно от шины 24 В линейным приводом с использованием резисторов. Пряди 1, 2, 4, 5, 7, 9, 10, 12, 13, 14 и 15 питаются от 24В. Белые нити рассеивают наибольшую мощность: P=IV=(24-20)*1= P=4W . Используя резисторы размера 2010, каждый из которых может рассеивать 2 Вт (3502, серия CGS), 3 резистора 1,3 R используются на каждой цепи, при этом каждый резистор рассеивает около 1,3 Вт. Одна из этих нитей показана ниже на рис. 6.

 

Рис. 6. Схема светодиода с линейным управлением, использующая шину 24 В.

 

Жилы 3, 6, 8 и 11 оставлены и слишком короткие для прямого питания 24 В. Что мы сделали, так это использовали два импульсных понижающих регулятора, чтобы понизить шину 24 В до шины 6 В и 16 В. Рейка 16 В напрямую управляет нитями 3 и 11, а шина 6 В — 6 и 8.

 

Рис. 7. Импульсный регулятор напряжения снижает напряжение до 6 В. Обратите внимание на CLC-фильтр на входе, а также на большую выходную емкость. Это предотвращает взаимодействие шума переключения режимов с любыми другими регуляторами.

 

На рис. 7 показана схема импульсного стабилизатора для понижения напряжения 24 В до 6 В. Затем эта шина 6 В управляет светодиодами точно так же, как шина 24 В. Использование этой комбинации позволяет управлять широким спектром светодиодов с различным прямым напряжением, сводя к минимуму количество импульсных стабилизаторов на плате. Хотя схемы драйверов светодиодов рассеивают значительное количество энергии, наше приложение это позволяет.

 

Заключение

При проектировании схем невозможно использовать универсальный подход. То же самое верно и при управлении светодиодами. В этой статье описано несколько методов, которые можно использовать для управления светодиодами в зависимости от параметров схемы. Если требуется высокая эффективность — как по сроку службы батареи, так и по отводу тепла — очевидным выбором будет импульсный светодиодный драйвер постоянного тока. Если простота является ключевым фактором, то подход с линейным приводом может быть хорошим вариантом с использованием резисторов или специального драйвера светодиодов. Здесь, в MicroType Engineering, мы имеем многолетний опыт работы со сложными и сложными светодиодными приложениями. Свяжитесь с нами, чтобы узнать, как мы можем помочь с вашим следующим дизайном!

Категория:

  Схема проектирования

230 В Схема драйвера светодиодов, работа и применение

В этом проекте мы разработали простую схему драйвера светодиодов 230 В, которая может управлять светодиодом напрямую от сети.

[adsense1]

Светодиод — это особый тип диода, используемый в качестве оптоэлектронного устройства. Подобно диоду с PN-переходом, он проводит ток при прямом смещении. Однако особенностью этого устройства является его способность излучать энергию в видимом диапазоне электромагнитного спектра, т.е. видимый свет.

Основной задачей при управлении светодиодом является обеспечение почти постоянного входного тока. Часто светодиод приводится в действие с помощью батарей или устройств управления, таких как микроконтроллеры. Однако у них есть свои недостатки, например, низкое время автономной работы и т.д. Хотя преобразование переменного тока в постоянный с использованием трансформатора довольно популярно и широко используется, для таких приложений, как управление нагрузками, такими как светодиоды, оно оказывается довольно дорогостоящим, и, кроме того, с помощью трансформатора невозможно получить слаботочный сигнал.

Принимая во внимание все факторы, мы разработали простую схему питания светодиода от сети 230 В переменного тока. Это достигается с помощью блока питания на основе конденсатора. Это недорогая и эффективная схема, которую можно использовать дома.

Связанная статья: Схема драйвера биполярного светодиода

[adsense2]

Outline

Принцип работы схемы драйвера светодиодов 230 В

Основным принципом работы схемы драйвера светодиодов 230 В является бестрансформаторное питание. Основным компонентом является конденсатор переменного тока с рейтингом X, который может снизить ток питания до подходящей величины. Эти конденсаторы подключаются между линиями и предназначены для высоковольтных цепей переменного тока.

Конденсатор с рейтингом X снижает только ток, а напряжение переменного тока можно выпрямлять и регулировать в более поздних частях цепи. Переменный ток высокого напряжения и слабого тока выпрямляется в постоянный ток высокого напряжения с помощью мостового выпрямителя. Этот постоянный ток высокого напряжения затем выпрямляется с помощью стабилитрона в постоянный ток низкого напряжения.

Наконец, низкое напряжение и малый ток постоянного тока подается на светодиод.

Схема цепи драйвера светодиода 230 В

Необходимые компоненты

• Полиэфирный пленочный конденсатор 2,2 мкФ (225 Дж – 400 В)
• Резистор 390 кОм (1/4 Вт)
• Резистор 10 Ом (1/4 Вт)
• Мостовой выпрямитель (W10M)
• Резистор 22 кОм (5 Вт)
• Поляризованный конденсатор 4,7 мкФ / 400 В
• Резистор 10 кОм (1/4 Вт)
• Стабилитрон 4,7 В (1N4732A) (1/4 Вт)
• Поляризованный конденсатор 47 мкФ / 25 В
• Светодиод 5 мм (красный — рассеянный)

Как разработать схему драйвера светодиодов на 230 В?

Во-первых, конденсатор с номиналом X 2,2 мкФ / 400 В подключается к сети электропитания. Важно выбрать конденсатор с номинальным напряжением выше, чем напряжение питания. В нашем случае напряжение питания составляет 230 В переменного тока. Следовательно, мы использовали конденсатор с номинальным напряжением 400 В.

Резистор 390 кОм подключен параллельно этому конденсатору для его разрядки при отключении питания. Резистор 10 Ом, который действует как предохранитель, подключен между источником питания и мостовым выпрямителем.

Следующая часть схемы представляет собой двухполупериодный мостовой выпрямитель. Мы использовали однокристальный выпрямитель W10M. Он способен выдерживать ток до 1,5 Ампер. Выход мостового выпрямителя фильтруется с помощью конденсатора 4,7 мкФ / 400 В.

Для регулирования постоянного тока мостового выпрямителя мы используем стабилитрон. Для этой цели используется стабилитрон 4,7 В (1N4732A). Перед стабилитроном мы подключили последовательный резистор 22 кОм (5 Вт) для ограничения тока.

Регулируемый постоянный ток подается на светодиод после его фильтрации с помощью конденсатора 47 мкФ / 25 В.

Как работает схема драйвера светодиодов 230 В?

В этом проекте используется простая бестрансформаторная схема драйвера светодиодов на 230 В. Основными компонентами этого проекта являются конденсатор с рейтингом X, стабилитрон и резистор, который ограничивает ток в стабилитроне. Давайте посмотрим, как работает этот проект.

Во-первых, конденсатор с номиналом X 2,2 мкФ (225 Дж — 400 В) будет ограничивать переменный ток от сети. Чтобы рассчитать этот ток, вы должны использовать емкостное реактивное сопротивление конденсатора с номиналом X.

Формула для расчета емкостного реактивного сопротивления приведена ниже.

Итак, для конденсатора 2,2 мкФ X _C можно рассчитать следующим образом.

Итак, по закону Ома ток, который пропускает конденсатор, определяется как I = V/R.

Следовательно, ток через конденсатор = 230/1447,59 = 0,158 Ампер = 158 мА.

Это общий ток, поступающий на мостовой выпрямитель. Теперь выход мостового выпрямителя фильтруется с помощью конденсатора. Важно выбрать соответствующее номинальное напряжение для этого конденсатора.

Входное напряжение мостового выпрямителя составляет 230 В переменного тока, что соответствует среднеквадратичному напряжению. Но максимальное напряжение на входе мостового выпрямителя определяется как

В _МАКС = В _RMS x √2 = 230 x 1,414 = 325,26 В.

Следовательно, вам необходимо использовать фильтрующий конденсатор с номиналом 400 В. Выпрямленное напряжение постоянного тока составляет около 305 В. Это должно быть доведено до полезного диапазона для освещения светодиода. Следовательно, в проекте используется стабилитрон.

Для этой цели используется стабилитрон 4,7 В. Есть три важных фактора, связанных со стабилитроном, который действует как регулятор: резистор серии А, номинальная мощность этого резистора и номинальная мощность стабилитрона.

Во-первых, последовательный резистор. Этот резистор будет ограничивать ток, протекающий через стабилитрон. При выборе последовательного резистора можно использовать следующую формулу.

Здесь В _IN — входное напряжение стабилитрона, равное 305 В.

В _Z — это напряжение Зенера (которое совпадает с напряжением нагрузки V _L ) = 4,7 В.

I _L — ток нагрузки, т. е. ток через светодиод, и равен = 5 мА.

I _Z — это ток через стабилитрон и равен 10 мА.

Таким образом, номинал последовательного резистора R _S можно рассчитать следующим образом.

Теперь номинальная мощность этого резистора. Номинальная мощность последовательного резистора очень важна, так как она определяет количество мощности, которое может рассеивать резистор. Для расчета номинальной мощности резистора серии R _S можно использовать следующую формулу.

Наконец, номинальная мощность стабилитрона. Вы можете использовать следующую формулу для расчета номинальной мощности стабилитрона.

Основываясь на приведенных выше расчетах, мы выбрали последовательный резистор сопротивлением 22 кОм, рассчитанный на 5 Вт, и стабилитрон на 4,7 В, рассчитанный на 1 Вт (на самом деле стабилитрона на четверть ватта будет достаточно).

На светодиод подается выпрямленное и регулируемое напряжение с ограниченным током.