Источник тока для светодиодов схема: Схемы стабилизаторов тока для светодиодов на транзисторах и микросхемах

Содержание

Стабилизатор тока светодиода, схемы

Стабилизатор тока светодиода

См. также:  Электронный балласт для светодиодной лампы. Схемотехника.

Статья-ликбез по стабилизаторам тока светодиодов и не только. Рассматриваются схемы линейных и импульсных стабилизаторов тока.

Стабилизатор тока для светодиода устанавливается во многие конструкции светильников. Светодиоды, как и все диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику. Это означает, что при изменении напряжения на светодиоде, ток изменяется непропорционально. По мере увеличения напряжения, сначала ток растёт очень медленно, светодиод при этом не светится. Затем, при достижении порогового напряжения, светодиод начинает светиться и ток возрастает очень быстро. При дальнейшем увеличении напряжения, ток возрастает катастрофически и светодиод сгорает.

Пороговое напряжение указывается в характеристиках светодиодов, как прямое напряжение при номинальном токе. Номинальный ток для большинства маломощных светодиодов - 20 мА. Для мощных светодиодов освещения, номинальный ток может быть больше - 350 мА или более. Кстати, мощные светодиоды выделяют тепло и должны быть установлены на теплоотвод.

Для правильной работы светодиода, его надо питать через стабилизатор тока. Зачем? Дело в том, что пороговое напряжение светодиода имеет разброс. Разные типы светодиодов имеют разное прямое напряжение, даже однотипные светодиоды имеют разное прямое напряжение - это указано в характеристиках светодиода как минимальное и максимальное значения. Следовательно, два светодиода, подключенные к одному источнику напряжения по параллельной схеме будут пропускать разный ток. Этот ток может быть настолько разным, что светодиод может раньше выйти из строя или сгореть сразу. Кроме того, стабилизатор напряжения также имеет дрейф параметров (от уровня первичного питания, от нагрузки, от температуры, просто по времени). Следовательно, включать светодиоды без устройств выравнивания тока - нежелательно. Различные способы выравнивания тока рассмотрены отдельно. В этой статье рассматриваются устройства, устанавливающие вполне определённый, заданный ток - стабилизаторы тока.

Типы стабилизаторов тока

Стабилизатор тока устанавливает заданный ток через светодиод вне зависимости от приложенного к схеме напряжения. При увеличении напряжения на схеме выше порогового уровня, ток достигает установленного значения и далее не изменяется. При дальнейшем увеличении общего напряжения, напряжение на светодиоде перестаёт меняться, а напряжение на стабилизаторе тока растёт.

Стабилизатор тока светодиода

Поскольку напряжение на светодиоде определяется его параметрами и в общем случае неизменно, то стабилизатор тока можно назвать также стабилизатором мощности светодиода. В простейшем случае, выделяемая устройством активная мощность (тепло) распределяется между светодиодом и стабилизатором пропорционально напряжению на них. Такой стабилизатор называется линейным. Также существуют более экономичные устройства - стабилизаторы тока на базе импульсного преобразователя (ключевого преобразователя или конвертера). Они называются импульсными, поскольку внутри себя прокачивают мощность порциями - импульсами по мере необходимости для потребителя. Правильный импульсный преобразователь потребляет мощность непрерывно, внутри себя передаёт её импульсами от входной цепи к выходной и выдаёт мощность в нагрузку уже опять непрерывно.

Линейный стабилизатор тока

Линейный стабилизатор тока греется тем больше, чем больше приложено к нему напряжение. Это его основной недостаток. Однако, он имеет ряд преимуществ, например:

  • Линейный стабилизатор не создаёт электромагнитных помех
  • Прост по конструкции
  • Имеет низкую стоимость в большинстве применений

Поскольку импульсный преобразователь не бывает абсолютно эффективным, существуют приложения, когда линейный стабилизатор имеет сравнимую или даже большую эффективность - когда входное напряжение лишь немного превышает напряжение на светодиоде. Кстати, при питании от сети, часто используется трансформатор, на выходе которого устанавливается линейный стабилизатор тока. То есть, сначала напряжение снижается до уровня, сравнимого с напряжением на светодиоде, а затем, с помощью линейного стабилизатора устанавливается необходимый ток.

В другом случае, можно приблизить напряжение светодиода к напряжению питания - соединить светодиоды в последовательную цепочку. Напряжение на цепочке будет равняться сумме напряжений на каждом светодиоде.

Схемы линейных стабилизаторов тока

Самая простая схема стабилизатора тока - на одном транзисторе (схема "а"). Поскольку транзистор - это усилитель тока, то его выходной ток (ток коллектора) больше тока управления (ток базы) в h21 раз (коэффициент усиления). Ток базы можно установить с помощью батарейки и резистора, или с помощью стабилитрона и резистора (схема "б"). Однако такую схему трудно настраивать, полученный стабилизатор будет зависеть от температуры, кроме того, транзисторы имеют большой разброс параметров и при замене транзистора, ток придётся подбирать снова. Гораздо лучше работает схема с обратной связью "в" и "г". Резистор R в схеме выполняет роль обратной связи - при увеличении тока, напряжение на резисторе возрастает, тем самым запирает транзистор и ток снижается. Схема "г", при использовании однотипных транзисторов, имеет бóльшую температурную стабильность и возможность максимально уменьшить номинал резистора, что снижает минимальное напряжение стабилизатора и выделение мощности на резисторе R.

Линейный стабилизатор

Стабилизатор тока можно выполнить на базе полевого транзистора с p-n переходом (схема "д"). Напряжение затвор-исток устанавливает ток стока. При нулевом напряжении затвор-исток, ток через транзистор равен начальному току стока, указанному в документации. Минимальное напряжение работы такого стабилизатора тока зависит от транзистора и достигает 3 вольт. Некоторые производители электронных компонентов выпускают специальные устройства - готовые стабилизаторы с фиксированным током, собранные по такой схеме - CRD (Current Regulating Devices) или CCR (Constant Current Regulator) . Некоторые называют его диодным стабилизатором, поскольку в обратном включении он работает как диод.

Компания On Semiconductor выпускает линейный стабилизатор серии NSIxxx, например NSIC2020B, который имеет два вывода и для увеличения надежности, имеет отрицательный температурный коэффициент - при увеличении температуры, ток через светодиоды снижается.

NSIxxx линейный драйвер светодиодов

Импульсный стабилизатор тока

Стабилизатор тока на базе импульсного преобразователя по конструкции очень похож на стабилизатор напряжения на базе импульсного преобразователя, но контролирует не напряжение на нагрузке, а ток через нагрузку. При снижении тока в нагрузке, он подкачивает мощность, при увеличении - снижает. Наиболее распространённые схемы импульсных преобразователей имеют в своём составе реактивный элемент - дроссель, который с помощью коммутатора (ключа) подкачивается порциями энергии от входной цепи (от входной ёмкости) и в свою очередь передаёт её нагрузке. Кроме очевидного преимущества экономии энергии, импульсные преобразователи обладают рядом недостатков, с которыми приходится бороться различными схемотехническими и конструктивными решениями:

  • Импульсный конвертер производит электрические и электромагнитные помехи
  • Имеет как правило сложную конструкцию
  • Не обладает абсолютной эффективностью, то есть тратит энергию для собственной работы и греется
  • Имеет чаще всего бóльшую стоимость, по сравнению, например, с трансформаторными плюс линейными устройствами

Поскольку экономия энергии во многих приложениях является решающей, разработчики компонентов, схемотехники стараются снизить влияние этих недостатков, и, зачастую, преуспевают в этом.

Схемы импульсных преобразователей

Поскольку стабилизатор тока основан на импульсном преобразователе, рассмотрим основные схемы импульсных преобразователей. Каждый импульсный преобразователь имеет ключ, элемент, который может находиться только в двух состояниях - включенном и выключенном. В выключенном состоянии, ключ не проводит ток и, соответственно, на нём не выделяется мощность. Во включенном состоянии, ключ проводит ток, но имеет очень малое сопротивление (в идеале - равное нулю), соответственно на нём выделяется мощность, близкая к нулю. Таким образом, ключ может передавать порции энергии от входной цепи к выходной практически без потерь мощности. Однако, вместо стабильного тока, какой можно получить от линейного источника питания, на выходе такого ключа будет импульсное напряжение и ток. Для того, чтобы получить снова стабильные напряжение и ток, можно поставить фильтр.

Импульсный преобразователь

С помощью обычного RC фильтра можно получить результат, однако, эффективность такого преобразователя не будет лучше линейного, поскольку вся избыточная мощность выделится на активном сопротивлении резистора. Но если использовать вместо RC - LC фильтр (схема "б"), то, благодаря "специфическим" свойствам индуктивности, потерь мощности можно избежать. Индуктивность обладает полезным реактивным свойством - ток через неё возрастает постепенно, подаваемая на него электрическая энергия преобразуется в магнитную и накапливается в сердечнике. После выключения ключа, ток в индуктивности не пропадает, напряжение на индуктивности меняет полярность и продолжает заряжать выходной конденсатор, индуктивность становится источником тока через обводной диод D. Такая индуктивность, предназначенная для передачи мощности, называется дросселем. Ток в дросселе правильно работающего устройства присутствует постоянно - так называемый неразрывный режим или режим непрерывного тока (в западной литературе такой режим называется Constant Current Mode - CCM). При снижении тока нагрузки, напряжение на таком преобразователе возрастает, энергия, накапливаемая в дросселе снижается и устройство может перейти в разрывный режим работы, когда ток в дросселе становится прерывистым. При таком режиме работы резко повышается уровень помех, создаваемых устройством. Некоторые преобразователи работают в пограничном режиме, когда ток через дроссель приближается к нулю (в западной литературе такой режим называется Border Current Mode - BCM). В любом случае, через дроссель течет значительный постоянный ток, что приводит к намагничиванию сердечника, в связи с чем, дроссель выполняется особой конструкции - с разрывом или с использованием специальных магнитных материалов.

Стабилизатор на базе импульсного преобразователя имеет устройство, регулирующее работу ключа, в зависимости от нагрузки. Стабилизатор напряжения регистрирует напряжение на нагрузке и изменяет работу ключа (схема "а"). Стабилизатор тока измеряет ток через нагрузку, например с помощью маленького измерительного сопротивления Ri (схема "б"), включенного последовательно с нагрузкой.

Импульсный преобразователь

Ключ преобразователя, в зависимости от сигнала регулятора, включается с различной скважностью. Есть два распространённых способа управления ключом - широтно-импульсная модуляция (ШИМ) и токовый режим. В режиме ШИМ, сигнал ошибки управляет длительностью импульсов при сохранении частоты следования. В токовом режиме, измеряется пиковый ток в дросселе и изменяется интервал между импульсами.

В современных ключевых преобразователях в качестве ключа обычно используется MOSFET транзистор.

Понижающий преобразователь

Рассмотренный выше вариант преобразователя называется понижающим, поскольку напряжение на нагрузке всегда ниже напряжения источника питания.

Импульсный преобразователь

Поскольку в дросселе постоянно течёт однонаправленный ток, требования к выходному конденсатору могут быть снижены, дроссель с выходным конденсатором играют роль эффективного LC фильтра. В некоторых схемах стабилизаторов тока, например для светодиодов, выходной конденсатор может отсутствовать вообще. В западной литературе понижающий преобразователь называется Buck converter.

Повышающий преобразователь

Схема импульсного стабилизатора, приведённая ниже, также работает на основе дросселя, однако дроссель всегда подключен к выходу источника питания. Когда ключ разомкнут, питание поступает через дроссель и диод на нагрузку. Когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС добавляется к ЭДС источника питания и напряжение на нагрузке возрастает.

Импульсный преобразователь

В отличие от предыдущей схемы, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе повышающе-понижающий преобразователь называется Boost converter.

Инвертирующий преобразователь

Еще одна схема импульсного преобразователя работает аналогично - когда ключ замыкается, дроссель накапливает энергию, когда ключ размыкается, возникающее на его выводах ЭДС будет иметь обратный знак и на нагрузке появится отрицательное напряжение.

Импульсный преобразователь

Как и в предыдущей схеме, выходной конденсатор заряжается прерывистым током, следовательно выходной конденсатор должен быть большим, и, возможно, понадобится дополнительный фильтр. В западной литературе инвертирующий преобразователь называется Buck-Boost converter.

Прямоходовой и обратноходовой преобразователи

Наиболее часто блоки питания изготавливаются по схеме, использующей в своем составе трансформатор. Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку вторичной цепи от источника питания, кроме того, эффективность блока питания на основе таких схем может достигать 98% и более. Прямоходовой преобразователь (схема "а") передаёт энергию от источника в нагрузку в момент включенного состояния ключа. Фактически - это модифицированный понижающий преобразователь. Обратноходовой преобразователь (схема "б") передаёт энергию от источника в нагрузку во время выключенного состояния.

Импульсный преобразователь

В прямоходовом преобразователе трансформатор работает в обычном режиме и энергия накапливается в дросселе. Фактически - это генератор импульсов с LC фильтром на выходе. Обратноходовой преобразователь накапливает энергию в трансформаторе. То есть трансформатор совмещает свойства трансформатора и дросселя, что создаёт определённые сложности при выборе его конструкции.

В западной литературе прямоходовой преобразователь называется Forward converter. Обратноходовой - Flyback converter.

Применение импульсного конвертера в качестве стабилизатора тока

Большинство импульсных блоков питания выпускаются с стабилизацией выходного напряжения. Типичные схемы таких блоков питания, особенно мощных, кроме обратной связи по выходному напряжению, имеют схему контроля тока ключевого элемента, например резистор с малым сопротивлением. Такой контроль позволяет обеспечивать режим работы дросселя. Простейшие стабилизаторы тока используют этот элемент контроля для стабилизации выходного тока. Таким образом, стабилизатор тока оказывается даже проще стабилизатора напряжения.

Рассмотрим схему импульсного стабилизатора тока для светодиода на базе микросхемы NCL30100 от известного производителя электронных компонентов On Semiconductor:

Импульсный стабилизатор тока

Схема понижающего преобразователя работает в режиме неразрывного тока с внешним ключом. Схема выбрана из множества других, поскольку она показывает, насколько простой и эффективной может быть схема импульсного стабилизатора тока с внешним ключом. В приведённой схеме, управляющая микросхема IC1 управляет работой MOSFET ключа Q1. Поскольку преобразователь работает в режиме неразрывного тока, выходной конденсатор ставить необязательно. В многих схемах датчик тока устанавливается в цепи истока ключа, однако, это снижает скорость включения транзистора. В приведённой схеме датчик тока R4 установлен в цепи первичного питания, в результате схема получилась простой и эффективной. Ключ работает на частоте 700 кГц, что позволяет установить компактный дроссель. При выходной мощности 7 Ватт, входном напряжении 12 Вольт при работе на 700 мА (3 светодиода), эффективность устройства более 95%. Схема стабильно работает до 15 Ватт выходной мощности без применения дополнительных мер по отводу тепла.

Ещё более простая схема получается с использованием микросхем ключевых стабилизаторов с встроенным ключом. Например, схема ключевого стабилизатора тока светодиода на базе микросхемы CAV4201/CAT4201:

Импульсный стабилизатор тока

Для работы устройства мощностью до 7 Ватт необходимо всего 8 компонентов, включая саму микросхему. Импульсный стабилизатор работает в пограничном режиме тока и для его работы требуется небольшой выходной керамический конденсатор. Резистор R3 необходим при питании от 24 Вольт и выше для снижения скорости нарастания входного напряжения, хотя это несколько снижает эффективность устройства. Частота работы превышает 200 кГц и меняется в зависимости от нагрузки и входного напряжения. Это обусловлено методом регулирования - контролем пикового тока дросселя. Когда ток достигает максимального значения, ключ размыкается, когда ток снижается до нуля - включается. Эффективность устройства достигает 94%.

Назад к каталогу статей >>>

Источник тока для мощных светодиодов с питанием от сети 220 В 50 Гц

Импульсный блок питания светодиодов представляет собой выпрямитель с фильтром и понижающий преобразователь с обратной связью по току. Для построения источников тока для мощных светодиодов часто используются микросхемы ШИМ-контроллеры Supertex HV9910B, HV9961. Стандартные схемы включения этих микросхем мало отличаются, при некоторых условиях они взаимозаменяемы. HV9961 более дорогая, т.к. обеспечивает контроль среднего тока светодиодов, а не пикового. Есть другие отличия, о которых можно прочесть на сайте производителя, документ AN-H64. Я взял HV9961, говорят, она более живуча.
Расчет, изготовление и тестирование источника на микросхеме HV9961 под катом.

Мне нужен был блок, питающий током 750 мА 10 СИДов Cree XM-L. Оценим выходное напряжение блока: Vout = 10 * Vled при 750 мА = 29 В. Пусть пульсации тока будут меньше +-15% (я не знаю, как их величина влияет на работу светодиодов). Имелся корпус G1022BF, что накладывает ограничения на размер платы блока питания. Таким образом, исходные данные:
напряжение питания: 220 В, 50 Гц;
выходное напряжение: 30 В;
выходной ток: 750 мА;
пульсации тока: менее +-15%;
размер платы: менее 100х60 мм.

За основу берем стандартную схему включения:

Это понижающий преобразователь, для простоты ток измеряется в цепи истока переключающего транзистора и усредняется. На контакт Vin можно подавать высокое напряжение, которое питает встроенный регулятор напряжения 7,5 В, вывод регулятора – Vdd. PWMD и LD служат для плавной регулировки тока светодиодов. Резистор Rt задает частоту переключения (точнее, время паузы), Rcs – ток на СИДах. При питании от сети 220 нужно добавить выпрямитель и фильтр.

Расчет схемы

1. Частота переключения. Частота переключения в схеме не фиксированная, задается только время паузы. Для номинальных напряжений на входе (310 В после выпрямителя) и выходе коэффициент заполнения . С другой стороны, , где tu – время проводимости, tn – время паузы, f – частота переключения. Сопротивление резистора Rt определяется из выражения . Возьмем Rt = 330 кОм, это соответствует времени паузы 13,5 мкс и номинальной частоте 73 кГц. Чем выше частота, тем меньшего размера будет катушка и тем больше потери на переключение на транзисторе.

2. Регулировка тока. Токозадающий резистор. Rcs = 0.272 В / Iled = 0,363 Ом. Я решил взять Rcs = 0,33 Ом, т.е. 3 резистора по 1 Ом в параллель, что соответствует току 824 мА и сделать плавную регулировку тока с помощью вывода LD микросхемы. В описании сказано, что регулировка тока осуществляется, когда на выводе LD напряжение от 0 до 1,5 В. Подключаем делитель напряжения к напряжению 7,5 В. Необходимые сопротивления несложно посчитать, результат показан на окончательной схеме.
Можно проверить, сколько мощности выделяется на токозадающих резисторах: 824 Ма*272 мВ = 224 мВт, на каждом резисторе 75 мВт. Используем типоразмер 0805 (125 мВт).

3. Катушка индуктивности. Для пульсаций тока менее +-15% (полный размах 0,3*750 мА) индуктивность должна быть больше

Пиковый ток на катушке будет 750 мА +15% = 863 мА. Готовые катушки с такими параметрами найти непросто, поэтому придется изготавливать самостоятельно.
Имелся эмальпровод с внешним диаметром 0,7 мм, исходя из этого, по прикидочным расчетам был подобран сердечник КВ10 (аналог RM10), феррит М2500НМС1 (аналог N27).
Кратко опишу расчет дросселя. Чтобы сердечник не насыщался, необходимо ввести зазор. В начале наматываем максимальное число витков, которые влезают в окно сердечника. У меня получилось 6 слоев по 15 витков с запасом для компаунда, всего 90 витков. Далее вводим максимальный зазор для необходимой индуктивности. Можно считать вручную, я считал в программе EPCOS MDT для RM10 N27. Получаем для суммарного зазора 0,6 мм (прокладки между сердечниками по 0,3 мм) значение Al = 200 нГн и L= Al * N^2 = 1,62 мГн. Индуктивность получилась немного меньше, значит пульсации побольше +-15%, что меня устроило.
Теперь надо посчитать индукцию при максимальном токе и убедиться, что сердечник не насыщается. По формуле 8 из [2] и данным из программы (Al = 200 нГн, mui = 71) для тока 1 А (с запасом) получаем индукцию 183 мТл, что меньше 300 мТл и, значит, насыщения нет.
В итоге изготавливаем дроссель на сердечнике КВ10 М2500НМС1 с прокладками 0,3 мм с 90 витками эмальпроводом с внешним диаметром 0,7 мм. Желательно залить клеем или лаком после изготовления.

4. Транзистор. Транзистор должен с запасом выдерживать максимальное входное напряжение 310 В. Выберем транзистор с максимальным напряжением сток-исток 500 В. Максимальный среднеквадратичный ток через транзистор Iout*sqrt(Vout/Vin) = 240 мА. Ток небольшой, его выдержит любой мощный полевик. Главный параметр для выбора – емкость или заряд затвора. Производитель микросхемы рекомендует заряд менее 25 нКл. Я взял IRF830A с максимальным зарядом затвора 24 нКл. Мощность, выделяющуюся на полевике, посчитать непросто, но радиатор явно не помешает.

5. Диод. Для диода те же требования по напряжению, что и для транзистора. Средний ток через диод Iout*(1 – Vout/Vin) = 680 мА. Выбираем SF28 600 В, 2 А. Падение напряжения на нем 1,5 В, значит будет выделяться мощность 1,5 В* 0,68 А = 1 Вт. Я решил использовать диод без радиатора. Для диода еще важным считается параметр время обратного восстановления, от него зависят потери на переключение, но расчет их довольно сложный и я его не проводил.

6. Входной конденсатор. Емкость выбирается исходя из условия, что минимальное напряжение после входного фильтра должно быть больше 2*Vout. В AN-h58 есть формула для расчета:

Для частоты 50 Гц, Vdc = 60 В и КПД 90% получаем С1>6,5 мкФ. Был выбран конденсатор 47 мкФ, 400 В исходя из габаритов и доступности. Параллельно установлен пленочный 0,47 мкФ 450 В для уменьшения ESR.
Замечание от sanmigel:

если внимательно почитать документацию на 9910 то можно увидеть что условие Vout<0.5 Vin имеет значение для режима с постоянной частотой, в этом режиме при коэффициенте заполнения более 0,5 лезут гармоники, поэтому для их снижения рекомендуют его ограничить в 0,5. 9961 работает в режиме констант офф тайм, в таком режиме коэффициент заполнения для 9961 может быть до 0,75 (для 9910 до 0,8). Дока

Окончательная схема:

Схема в пдф
Кратко об остальных элементах схемы:
F1 – предохранитель 2 А, может быть, лучше поставить на меньший ток. С1 – фильтр от помех в сеть, подсмотрено в демоплате Supertex, можно не устанавливать. DB104S – диодный мост 400 В, 1 А. RT1 – NTC термистор, он ограничивает ток при включении источника, подробнее можно почитать здесь. Термистор устанавливать не обязательно. C4 – выходная емкость для уменьшения высокочастотных выбросов на нагрузке. D2 – стабилитрон на 75 В, улучшает тепловой режим микросхемы HV9961. Можно считать, что HV9961 потребляет 2 мА, тогда на стабилитроне выделяется мощность 150 мВт, на микросхеме 600 мВт. P3 – джампер для отключения источника, включенное положение – средний контакт замкнут на питание. С6 обеспечивает мягкий старт, ставить не обязательно. С5 – блокировочнй конденсатор, ставить обязательно, емкость около 0,1 – 2,2 мкФ.

Печатная плата

Трассировка играет важную роль в работе импульсных преобразователей, поэтому печать делалась на основе платы производителя.
Получилась двухсторонняя плата 95 х 55 мм, при желании можно верхнюю сторону сделать двумя перемычками.

Плата в пдф под ЛУТ
Проект Altium Designer
Входной и выходной разъемы с шагом 3,96 мм, джампер с шагом 2,54 мм, подстроечник типа 3296W. Предусмотрено место для радиатора транзистора. Используется держатель для предохранителей 5*20. Конденсатор С2 имеет размер 16*25 мм. Конденсатор C1 тип B32922-A2104-K, конденсаторы С3 и С4 – тип B43828A9476M000.

После сборки:


Плату можно использовать и для HV9910B, но надо будет пересчитать резисторы для плавной регулировки тока, чтобы напряжение на выводе LD было 0-250 мВ и токозадающие резисторы исходя из напряжения 250 мВ на них. Еще одно отличие – резисторами будет устанавливаться пиковый ток, а не средний.

Результаты тестирования.

Схема была подключена к сети 220, в качестве нагрузки были использованы 10 белых светодиодов Cree XR-E, ток был установлен на уровне 840 мА.
Ток (желт., 200 мА/дел) и напряжение (син., 100 В/дел) на входе:

Пиковый ток потребления около 400 мА.

Напряжение на истоке транзистора:


Напряжение на затворе:


Напряжение на стоке:


Ток (желт., 455 мА/дел) и напряжение (син., 10 В/дел) на выходе:

Средний ток около 850 мА, среднее напряжение около 36 В. В данном случае, в выходное напряжение входит также падение напряжения на резисторе 2,2 Ом, который включался для измерения тока.

Пульсации тока (желт., 45,5 мА/дел) и напряжения (син., 500 мВ/дел) на выходе:

Пульсации тока менее 140 мА, т.е. 16%.

Оценка КПД. У меня нет true RMS мультиметра, поэтому точность измерения входного тока под вопросом. Действующее значение входного тока 141 мА, входного напряжения 227 В, входная мощность 32 Вт. Средний выходной ток 840 мА, выходное напряжение 33,5 В, выходная мощность 28 Вт. Получается КПД 87,5%.

Температурный режим. При комнатной температуре 23 С радиатор транзистора разогревается до 67 С, остальные элементы схемы нагреваются меньше. Лучше поставить радиатор побольше.

Я постарался подробно описать процесс расчета схемы импульсного преобразователя, надеюсь, эта информация поможет читателю в его разработках.
Схемы других источников тока для светодиодов можно посмотреть в теме на форуме easyelectronics.ru.
Критикуйте и задавайте вопросы, пожалуйста! 🙂

Литература.
[1] Б. Ю. Семенов — Силовая электроника для любителей и профессионалов.
[2] А. Кузнецов – Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html
[3] А. Евстифеев — Практический опыт применения микросхемы Supertex HV9910 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2009_12_78.pdf

Стабилизатор тока для светодиодов: виды, схемы, как сделать

Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.

Назначение и принцип работы

Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, как подключить светодиод от сети 220 вольт). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.

Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.

  1. Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
  2. Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
  3. Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.

В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.

Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно здесь.

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и Rset.

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора Rsens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Стабилизатор на LM317

В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.

LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.

Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.

Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:

R1=1.25*I0.

Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:

W=I2R1.

Регулируемый стабилизатор

Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:

Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками

Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.

Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.

Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.

Какой стабилизатор использовать в авто

Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, как подключить светодиодную ленту в авто). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.

Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема светодиодного драйвера.

Вывод

Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.

 

схема, регулируемый, импульсный, конструкция и назначение

Содержание статьи:

Яркость светодиодных источников зависит от протекающего тока, а он в свою очередь – от напряжения питания. В условиях колебания нагрузки возникает пульсация светильников. Для ее предотвращения используется специальный драйвер – стабилизатор тока. При поломках элемент можно сделать самостоятельно.

Конструкция и принцип работы

Стабилизатор обеспечивает постоянство тока при его отклонении

Стабилизатор обеспечивает постоянство показателей рабочего тока LED-диодов при его отклонении от нормы. Он предотвращает перегрев и выгорание светодиодов, поддерживает постоянство потока при перепадах напряжения или разрядке АКБ.

Простейшее устройство состоит из трансформатора, выпрямительного моста, соединенного с резисторами и конденсаторами. Действие стабилизатора основывается на следующих принципах:

  • подача тока на трансформатор и изменение его предельной частоты до частоты электросети – 50 Гц;
  • регулировка напряжения на повышение и понижение с последующим выравниванием частоты до 30 Гц.

В процессе преобразования также задействуются выпрямители высоковольтного типа. Они определяют полярность. Стабилизация электрического тока осуществляется при помощи конденсаторов. Для снижения помех применяются резисторы.

Разновидности токовых стабилизаторов

Светодиод загорается при достижении порогового значения тока. Для маломощных устройств этот показатель равняется 20 мА, для сверхъярких – от 350 мА. Разброс порогового напряжения объясняет наличие различных видов стабилизаторов.

Резисторные стабилизаторы

Стабилизатор КРЕН

Для регулируемого стабилизатора параметров тока для маломощных светодиодов применяется схема КРЕН. Она предусматривает наличие элементов КР142ЕН12 либо LM317. Процесс выравнивания осуществляется при силе тока 1,5 А и напряжении на входе 40 В. В условиях нормального теплового режима резисторы рассеивают мощность до 10 т. Собственное энергопотребление составляет около 8 мА.

Узел LM317 удерживает на главном резисторе постоянную величину напряжения, регулируемую подстроечным элементом. Основной, или токораздающий элемент может стабилизировать ток, пропущенный через него. По этой причине стабилизаторы на КРЕН применяются для зарядки аккумуляторов.

Величина в 8 мА не изменяется даже при колебаниях тока и напряжения на входе.

Транзисторные устройства

Схема транзисторного стабилизатора напряжения

Регулятор на транзисторах предусматривает использование одного или двух элементов. Несмотря на простоту схемы при колебаниях напряжения не всегда бывает стабильный ток нагрузки. При его увеличении на одном транзисторе повышается напряжение резистора до 0,5-0,6 В. после этого начинает работать второй транзистор. В момент его открытия первый элемент закрывается, а сила и величина тока, проходящие через него, понижается.

Второй транзистор должен быть биполярным.

Две схемы для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2

Для реализации схемы с заменой стабилитронов на диоды применяются:

  • диоды VD1 и VD2;
  • резистор R1;
  • резистор R2.

Подача тока через светодиодный элемент задается резистором R2. Для выхода на линейный участок ВАХ-диодов с привязкой к току базового транзистора используется резистор R1. Чтобы транзистор сохранял устойчивость, напряжение питания не должно быть меньше суммарного напряжения диодов + 2-2,5 В.

Для получения тока 30 мА через 3 последовательно подключенных диода с напряжением 3,1 В по прямой производится запитка 12 В. Резисторное сопротивление должно равняться 20 Ом при мощности рассеивания 18 мВт.

Схема нормализует режим работы элементов, снижает токовые пульсации.

Схема с советскими транзисторами. Допустимое напряжение советских КТ940 или КТ969 – до 300 В, что подходит, если источник света – мощный SMD-элемент. Параметры тока задаются резистором. Напряжение стабилитрона составляет при этом 5,1 В, а мощность – 0,5 В.

Минус схемы – падение напряжения при повышении силы тока. Его можно устранить, заменив биполярный транзистор на MOSFET с низкими параметрами сопротивления. Мощный диод заменяется элементом IRF7210 на 12 А или IRLML6402 на 3,7 А.

Стабилизаторы тока на полевике

Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе

Полевой элемент отличается закороченным истоком и затвором, а также встроенным каналом. При использовании полевика (IRLZ 24) с 3-мя выводами на вход подается напряжение 50 В, на выходе получается 15,7 В.

Для подачи напряжения задействуется потенциал заземления. Параметры тока на выходе зависят от начального тока стока, и не привязываются к истоку.

Линейные устройства

Стабилизатор, или делитель постоянного показателя тока принимает нестабильное напряжение. На выходе линейный прибор его выравнивает. Он функционирует по принципу постоянного изменения параметров сопротивления для выравнивания питания на выходе.

К преимуществам эксплуатации относятся минимальное число деталей, отсутствие помех. Недостатком является малый КПД при разнице питания на входе и выходе.

Феррорезонансное устройство

Стабилизатор для переменного тока устаревшей модели, схема которого представлена конденсатором и двумя катушками – с ненасыщенным и насыщенным сердечником. К насыщенному (индуктивному) сердечнику подается напряжение постоянного типа, не зависимое от параметров тока. Это облегчает подбор данных для второй катушки и емкостный диапазон стабилизации питания.

Устройство работает по принципу качелей, которые сразу сложно остановить или раскачать сильнее. Подача напряжения происходит по инерции, поэтому возможны падения нагрузки или разрыв цепи питания.

Особенности схемы токового зеркала

Классическая схема токового зеркала

Токовое зеркало, или отражатель выстраивается на паре транзисторов согласованного типа, т.е. с одинаковыми параметрами. Для их производства используется один светодиодный кристалл полупроводника.

Схема токового зеркала по уравнению Эберса-Молла. Принцип работы заключается в том, что транзисторные базы объединяются, а эмиттеры подкидываются на одну шину питания. В итоге параметры переходного напряжения сцепки «база – транзистор-эмиттер» равны.

Преимущества схемы заключаются в равном диапазоне устойчивости и отсутствии падения напряжение на резисторе-эмиттере. Параметры легче задаются при помощи тока. Недостаток заключается в эффекте Эрли – привязке напряжения на выходе к коллекторному и его колебания.

Схема токового зеркала Уилсона. Токовое зеркало может стабилизировать постоянную величину выходного тока и реализуется так:

  1. Транзисторы № 1 и № 1 включены по принципу стандартного токового зеркала.
  2. Транзистор № 3 фиксирует потенциал коллектора элемента № 1 на удвоенный параметр падения диодного напряжения.
  3. Оно будет меньше, чем напряжение питания, что подавляет эффект Эрли.
  4. Коллектор транзистора № 1 задействуется для установления режима схемы.
  5. Ток на выходе зависит от транзистора № 2.
  6. Транзистор № 3 трансформирует выходной ток в нагрузку с переменным напряжением.

Транзистор № 3 можно не согласовывать с остальными.

Стабилизатор компенсационного напряжения

Компенсационный стабилизатор напряжения

Выпрямитель работает по принципу обратной связи цепи для напряжения. Полное или частичное напряжение приравнивает к опоре. В результате стабилизатор генерирует параметры напряжения ошибки, устраняя колебания яркости для светодиодов. Прибор состоит из следующих элементов:

  • Регулирующий элемент или транзистор, который совместно с сопротивлением нагрузки образует делитель напряжения. Эмиттерный показатель транзистора должен превышать ток нагрузки в 1,2 раза.
  • Усилитель – управляет РЭ, выполняется на базе транзистора №2. Маломощный элемент согласуется с мощным по составному принципу.
  • Источник напряжения опоры – в схеме задействуется стабилизатор параметрического типа. Он выравнивает напряжение стабилитрона и резистора.
  • Дополнительные источники.
  • Конденсаторы – для сглаживания пульсаций, устранения паразитного возбуждения.

Стабилизаторы компенсационного напряжения работают по принципу увеличения входного напряжения с дальнейшим возрастанием токов. Закрытие первого транзистора увеличивает сопротивление и напряжение зоны коллектор-эмиттер. После подачи нагрузки оно выравнивается до номинала.

Устройства на микросхемах

Микросхема 142ЕН5

Для стабилизующих приборов применяется микросхема 142ЕН5 или LМ317. Она позволяет выровнять напряжение, принимая по цепи обратной связи сигнал от датчика, подключенного к сети тока нагрузки.

В качестве датчика задействует сопротивление, при котором регулятор может поддерживать постоянное напряжение и ток нагрузки. Сопротивление датчика будет меньше сопротивления по нагрузке. Схему задействуют для зарядных устройств, по ней же проектируется ЛЕД-лампа.

Импульсные стабилизаторы

Импульсный прибор отличается высоким КПД и при минимальных параметрах входного напряжения создают высокое напряжение потребителей. Для сборки используется микросхема МАХ 771.

Регулировать силу тока будут один или два преобразователя. Делитель выпрямительного типа выравнивает магнитное поле, понижая допустимую частоту напряжения. Для подачи тока на обмотку светодиодный элемент передает сигнал транзисторам. Стабилизация на выходе осуществляется посредством вторичной обмотки.

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.

На основе драйверов

Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

  1. Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
  2. Перевести мультиметр в режим сопротивления.
  3. Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
  4. Проверить соединения на целостность и собрать цепь.

На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.

Стабилизатор для автомобильной подсветки

Стабилизатор L7812

Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:

  1. Выбор схемы под L7805 из даташита.
  2. Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
  3. Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
  4. Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
  5. Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.

В качестве радиатора задействуется кузов машины за счет соединения центрального вывода корпуса с минусом.

Нюансы расчета стабилизатора тока

Расчет стабилизатора производится на основании напряжения стабилизации U и тока (среднего) I. К примеру, напряжение входного делителя составляет 25 В, на выходе нужно получить 9 В. Вычисления предусматривают:

  1. Подбор по справочнику стабилитрона. Ориентируются на напряжение стабилизации: Д814В.
  2. Поиск среднего тока I по таблице. Он равен 5 мА.
  3. Вычисление подающего напряжения как разности стабильного напряжения входа и выхода: UR1 = Uвx — Uвых, или 25-9=16 В.
  4. Деление полученного значение по закону Ома на ток стабилизации по формуле R1 = UR1 / Iст, или 16/0,005=3200 Ом, или 3,2 кОм. Номинал элемента будет 3,3 кОм.
  5. Вычисление максимальной мощности по формуле РR1 = UR1 * Iст, или 16х0,005=0,08.

Через резистор проходит ток стабилитрона и выходной, поэтому его мощность должна быть в 2 раза больше (0,16 кВт). На основании таблицы данному номиналу соответствует 0,25 кВт.

Самостоятельная сборка стабилизатора для светодиодных устройств возможна только при знании схемы. Начинающим мастерам рекомендовано использовать простые алгоритмы. Рассчитать элемент по мощности можно на основании формул из школьного курса физики.

Немного об основах схемотехники светодиодных ламп / Хабр

Судя по комментариям, многих людей интересуют не только параметры светодиодных ламп, но и теория их внутреннего устройства. Потому я решил немного поговорить об основах схемотехнических решений, чаще всего применяемых в этой области.

Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д.

Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока.

К слову, о белых светодиодахПонятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое — это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик:


Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее тут.

Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется. Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер. Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов. Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции. При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» — код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.


ВАХ белого светодиода.

Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» — микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» — решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512, определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.

Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом.

Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току.

Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже.

Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.

1. Конденсаторный балласт

Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так:

Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод.

Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше).

Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.

Считая по формуле из учебника, легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.

Лирическое отступление«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее — сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву "μ" с оторванным хвостиком.

Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF, и никак иначе!

Кроме того, «Фарад» — мужского рода, так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!

Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.

2. Бестрансформаторная понижающая топология

Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии. Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC, преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов. В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).

Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже.

В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).

Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания. Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле. В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума, схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется. Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.

Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц).

На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье.

Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.

3. Обратноходовый преобразователь

Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временные параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.

Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.

Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности.

Лирическое отступлениеОбратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.

Немного о пульсациях

Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц). Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.

Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор. Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы. Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра. Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить).

Пожалуй это все, что в первом приближении можно сказать на тему электроники светодиодных ламп. Надеюсь, что этой статьей я в какой-то мере ответил на все вопросы схемотехнического толка, которые были заданы мне в комментариях и личных сообщениях.

Питание светодиодов с помощью ZXSC300

Давиденко Юрий. г. Луганск
Адрес Email -
david_ukr (at) list.ru
(замените (at) на @)

Целесообразность использования светодиодов в фонарях, велофарах, в устройствах местного и дежурного освещениям на сегодняшний день не вызывает сомнений. Светоотдача и мощность светодиодов растет, а цены на них падают. Источников света, в которых вместо привычной лампы накаливания используются светодиоды белого свечения становиться всё больше и купить их не составляет труда. Магазины и рынки заполнены светодиодной продукцией китайского производства. Но качество этой продукции оставляет желать лучшего. По этому возникает необходимость в модернизации доступных (в первую очередь по цене) светодиодных источников света. Да и заменить лампы накаливания на светодиоды в добротных фонарях советского производства тоже имеет смысл. Надеюсь, что приведенная далее информация будет не лишней.

Как известно, светодиод имеет нелинейную вольтамперную характеристику с характерной "пяткой" на начальном участке.

Рис. 1 Вольт-амперная характерисика светодиода белого свечения.

Как мы видим, светодиод начинает светиться, если на него подано напряжение больше 2,7 В. При питании его от гальванической или аккумуляторной батареи, напряжение которой процессе эксплуатации постепенно уменьшается, яркость излучения будет изменяться широких пределах. Чтобы избежать, этого необходимо питать светодиод стабилизированным током. А ток должен быть номинальным для данного типа светодиода. Обычно для стандартных 5-мм светодиодов он составляет среднем 20 мА.

По этой причине приходится применять электронные стабилизаторы тока, которые ограничивают стабилизируют ток, протекающий через светодиод. Часто бывает необходимо запитать светодиод от одного или двух элементов питания напряжением 1,2 – 2,5 В. Для этого используют повышающие преобразователи напряжения. Поскольку любой светодиод является, по сути, токовым прибором, точки зрения энергоэффективности выгодно обеспечивать прямое управление током, протекающим через него. Это позволяет исключить потери, возникающие на балластном (токоограничительном) резисторе.

Одним из оптимальных вариантов питания различных светодиодов от автономных источников тока небольшого напряжения 1-5 вольт является использование специализированной микросхемы ZXSC300 фирмы ZETEX. ZXSC300 это импульсный (индуктивный) повышающий преобразователь DC-DC c частотно-импульсной модуляцией.

Особенности:
  • Контроллер PFM (Pulse Frequency Modulation)
  • КПД - 94%
  • Входное рабочего напряжения - 0,8 -9 В
  • Стабилизированный выходной ток
  • Рассеиваемая мощность - 450 мВт
  • Диапазон рабочих температур --40:85 0С
  • Рабочая частота (оптимальная) - 200 кГц
  • Корпус SOT23-5

Рассмотрим принцип работы ZXSC300.

На рисунке Рис.2 показана одна из типовых схем питания белого светодиода импульсным током с помощью ZXSC300. Импульсный режим питания светодиода позволяет максимально эффективно использовать энергию, имеющуюся в батарейке или аккумуляторе.

Кроме самой микросхемы ZXSC300 преобразователь содержит: элемент питания 1,5 В, накопительный дроссель L1, силовой ключ – транзистор VT1, датчик тока – R1.

Работает преобразователь традиционным для него образом. В течение некоторого времени за счет импульса, поступающего с генератора G (через драйвер), транзистор VT1 открыт и ток через дроссель L1 нарастает по линейному закону. Процесс длиться до момента, когда на датчике тока -низкоомном резисторе R1 падение напряжение достигнет величины 19 мВ. Этого напряжения достаточно для переключения компаратора (на второй вход которого подано небольшое образцовое напряжение с делителя). Выходное напряжение с компаратора поступает на генератор, в результате чего силовой ключ VT1 закрывается и энергия, накопленная в дросселе L1, поступает в светодиод VD1. Далее процесс повторяется. Таким образом, из первичного источника питания в светодиод поступает фиксированные порции энергии, которые он преобразует в световую.

Управление энергией происходит с помощью частотно-импульсной модуляции ЧИМ (PFM Pulse Frequency Modulation). Принцип ЧИМ заключается в том, что изменяется частота, а постоянным остаётся длительность импульса или паузы, соответственно, открытого (On-Time) и закрытого (Off-Time) состояния ключа. В нашем случаи неизменным остаётся время Off-Time, т.е. длительность импульса, при котором внешний транзистор VT1 находится в закрытом состоянии. Для контроллера ZXSC300 Toff составляет 1,7 мкс.

Это время достаточно для передачи накопленной энергии из дросселя в светодиод. Длительность импульса Ton, в течение которого открыт VT1, определяется величиной токоизмерительного резистора R1, входным напряжением, и разницей между входным и выходным напряжением, а энергия, которая накапливается в дросселе L1, будет зависеть от его величины. Оптимальным считается, когда полный период Т равен 5мкс (Toff +Ton). Соответственна рабочая частота F=1/5мкс =200 кГц.

При указанных на схеме Рис.2 номиналах элементов осциллограмма импульсов напряжения на светодиоде имеет вид

Рис.3 вид импульсов напряжения на светодиоде. (сетка 1В/дел, 1мкс/дел)

Немного подробнее об используемый деталях.

Транзистор VT1 -FMMT617, n-р-n транзистор с гарантированным напряжением насыщения коллектор-эмиттер не более 100 мВ при токе коллектора 1 А. Способен выдерживать импульсный ток коллектора до 12 А (постоянный 3 А), напряжение коллектор-эмиттер 18 В, коэффициент передачи тока 150...240. Динамические характеристики транзистора: время включения/ выключения 120/160 нс, f =120 МГц, выходная емкость 30 пф.

FMMT617 является лучшим коммутационным устройством, которое можно использовать совместно с ZXSC300. Он позволяет получить высокий КПД преобразования при входном напряжении меньше одного вольта.

Накопительный дроссель L1.

В качестве накопительного дросселя можно использовать как промышленные SMD Power Inductor, так и самодельные. Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом иначе КПД преобразователя заметно снизиться. В качестве сердечника для самостоятельной намотки хорошо подходят кольцевые магнитопроводы (К10x4x5) от дросселей фильтров питания использующиеся в старых компьютерных материнских платах. На сегодняшний день б/у компьютерное «железо» можно приобрести по бросовым ценам на любом радиорынке. А «железо» - это неисчерпаемый источник разнообразный деталей для радиолюбителей. При самостоятельной намотки для контроля понадобится измеритель индуктивности.

Токоизмерительный резистор R1. Низкоомный резистор R1 47мОм получен параллельным соединением двух SMD резисторов типоразмера1206 по 0,1 Ом.

Светодиод VD1.

Светодиод VD1 белого свечения с номинальным рабочим током 150 мА. В авторской конструкции используется два четырехкристальных светодиода соединенные параллельно. Номинальный ток одного из них составляет 100 мА, другого 60 мА. Рабочий ток светодиода определен путем пропускания через него, стабилизированного постоянного тока и контроля температуры катодного (минусового) вывода, который является радиатором и отводит тепло от кристалла.

При номинальном рабочем токе температура теплоотводящего вывода не должна превышать 40 - 45 градусов. Вместо одного светодиода VD1 также можно использовать восемь параллельно соединенных стандартный 5 мм светодиодов с током 20 мА.

Внешний вид устройства

Рис. 4a.

 

Рис. 4b.

Печатная плата показана на Рис. 5

Рис. 5 (размер 14 на 17 мм).

При разработке плат для подобных устройств необходимо стремиться к минимальным значениям емкости и индуктивности проводника соединяющий К VT1 с накопительным дросселем и светодиодом, а также к минимальным индуктивности и активному сопротивлению входных и выходных цепей и общего провода. Сопротивление контактов и проводов через которые поступает напряжение питания должно быть тоже минимально.

На следующих схемах Рис. 6 и Рис. 7 показан способ питания мощных светодиодов типа Luxeon с номинальным рабочим током 350 мА

Рис. 6 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon

Рис. 7 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon - ZXSC300 запитана от выходного напряжения.

В отличие от рассмотренной ранее схемы здесь питание светодиода происходит не импульсным, а постоянным током. Это позволяет легко контролировать рабочий ток светодиода и КПД всего устройства. Особенность преобразователя на Рис. 7 заключается в том, что ZXSC300 запитана от выходного напряжения. Это позволяет ZXSC300 работать (после запуска) при снижении входного напряжения вплоть до 0,5 В. Диод VD1 - Шотки рассчитанный на ток 2А. Конденсаторы С1 и С3 - керамические SMD, С2 и С3 - танталовые SMD.

Печатные платы показаны на Рис. 8 Рис. 9 (размер 25 на 25 мм).

Рис. 8

 

Рис. 9

На Рис. 10 показана схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

Рис. 10 Схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

В таблице 1 приведены рекомендации по выбору элементов схемы.

Входное напряжение питание, В. Рабочий ток светодиодов, мА Количество светодиодов последовательно соединенных. Сопротивление токоизмерительного резистора, мОм. Индуктивность накопительного дросселя, мкГн.
1,5 20 1 270 68
1,5 30 1 180 68
1,5 50 1 100 68
1,5 20 2 150 100
1,5 30 2 100 100
1,5 50 2 39 100
3,5 20 3 220 68
3,5 20 4 150 68
3,5 20 6 77 68
3,5 30 6 47 68
5 20 4 270 68
5 30 6 100 68

На сегодняшний день стали доступны в использовании мощные 3 – 5 Вт светодиоды различных производителей (как именитых так и не очень).

И в этом случаи применение ZXSC300 позволяет легко решить задачу эффективного питание светодиодов с рабочим током 1 А и более.

В качестве силового ключа в данной схеме удобно использовать подходящий по мощности n-канальный (работающий от 3 В) Power MOSFET, можно также использовать сборку серии FETKY MOSFET (с диодом Шотки в одном корпусе SO-8).

С помощью ZXSC300 и нескольких светодиодов можно легко вдохнуть вторую жизнь в старый фонарь. Модернизации был подвергнут аккумуляторный фонарь ФАР-3.

Рис.11 внешний вид модернизированного фонаря ФАР-3.

Светодиоды использовались 4-х кристальные с номинальным током 100 мА - 6 шт. Соединены последовательно по 3. Для управления световым потоком применены два преобразователя на ZXSC300, имеющих независимое вкл/выкл. Каждый преобразователь работает на свою тройку светодиод.

Рис.12 внешний вид преобразователей и платы со светодиодами.

Платы преобразователей выполнены на двухстороннем стеклотекстолите, вторая сторона соединена с минусом питания.

Рис.13 - принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

Рис.14 - принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

В фонаре ФАР-3 в качестве элементов питания используются три герметичных аккумулятора НКГК-11Д (KCSL 11). Номинальное напряжение этой батареи 3,6 В. Конечное напряжение разряженной батареи составляет 3 В (1 В на элемент). Дальнейший разряд нежелателен т. к. это приводит к сокращению срока службы батареи. А дальнейший разряд возможен - преобразователи на ZXSC300 работают, как мы помним, вплоть до 0,9 В.

Поэтому для контроля напряжения на батарее было спроектировано устройство, схема которого показана на Рис. 15.

Рис.15 - принципиальная схема устройства контроля напряжения на батареи 3 НКГК-11Д.

В данном устройстве используется недорогая доступная элементная база. DA1 - LM393 всем известный сдвоенный компаратор. Опорное напряжения 2,5 В получаем с помощью TL431 (аналог КР142ЕН19). Напряжение срабатывания компаратора DA1.1 около 3 В задаётся делителем R2 -R3 (для точного срабатывания возможно потребуется подбор этих элементов). Когда напряжение на батареи GB1 снижается до 3 В загорается красный светодиод HL1, если напряжение больше 3 В то HL1 гаснет и загорается зеленый светодиод HL2. Резистор R4 определяет гистерезис компаратора.

Печатная плата устройства контроля показана на Рис. 16 (размер 34 на 20 мм).

Если у вас возникли трудности с приобретением микросхемы ZXSC300, транзистора FMMT617 или низкоомных SMD резисторов 0,1 Ом, можно обращаться к автору на e-mail david_ukr (аt) list.ru

Вы можете приобрести следующие компоненты (доставка почтой)

Элементы Количество Цена, $ Цена, грн
1 Микросхема ZXSC 300 + транзистор FMMT 617 1 пара 1.5 $ 7 грн.
2 Резистор 0,1 Ом SMD типоразмер 0805 15 шт 1 $ 5 грн.
3 Печатная плата Рис. 8 3 шт. 1 $ 5 грн.

 

Стабилизатор тока для светодиодов двух выводной

Все знают, что для питания светодиодов требуется стабильный ток, иначе их кристалл не выдерживает и быстро разрушается. Для этого применяют токовую стабилизацию - специальные схемы драйверов или просто резисторы. Последний метод используется чаще всего, особенно в светодиодных лентах, где на каждые 3 LED элемента ставят по одному сопротивлению. Но резисторы, справляются со своим делом стабилизации не слишком эффективно, так как во-первых греются (лишний расход энергии), а во-вторых поддерживают заданный ток в узком диапазоне напряжений - согласно закона Ома.

Представляем радиоэлемент нового поколения - компактный регулятор тока для светодиодов от OnSemi NSI45020AT1G. Его важное преимущество - он двухвыводной и миниатюрный, создан специально для управления маломощными светодиодами. Устройство выполнено в SMD корпусе SOD-123 и обеспечивает стабильный ток 20 мА в цепи, не требуя дополнительных внешних компонентов. Такое простое и надежное устройство позволяет создавать недорогие решения для управления светодиодами. Внутри него находится схема из полевого транзистора и нескольких деталей обвязки, естественно с сопутствующими радиоэлементами защиты. Что-то типа такого LED драйвера. 

Регулятор включается последовательно в цепь светодиодов, работает с максимальным рабочим напряжением 45 В, обеспечивает ток в цепи 20 мА с точностью ±10%, имеет встроенную ESD защиту, защиту от переполюсовки. При повышении температуры регулятора, выходной ток будет снижаться. Падение напряжения 0,5 В, а напряжение включения - 7,5 В.

Схемы включения стабилизатора тока LED

Схема регулятора NSI45020

Для обеспечения тока в цепи больше 20 мА нужно включить параллельно несколько регуляторов (2 регулятора – ток 40 мА, 3 регулятора – ток 60 мА, 5 регуляторов - 100 мА). 

Основные характеристики регулятора NSI45020

Схема регулятора NSI45020

  • Регулируемый ток 20±10% мА;
  • Максимальное напряжение анод-катод 45 В;
  • Рабочий температурный диапазон -55…+150°С;
  • Корпус SOD-123 выполненный с использованием без свинцовых технологий.

Схема регулятора NSI45020

Сферы применения стабилизатора NSI45020AT1G: световые панели, декоративная подсветка, подсветка дисплеев. В автомобилях регулятор тока ставят на подсветку зеркал, приборной панели, кнопок. Также его используют в светодиодных лентах вместо обычных резисторов, что позволяет подключать LED ленты к источникам разного напряжения без потери яркости. Напряжение питания у NSI45020 до 45 В, на выходе стабильные 20 мА. Включается последовательно с цепочкой светодиодов, единственное условие: сумма падений напряжения на светодиодах должна быть меньше входного напряжения минимум на 0,7 В. В общем деталь полезная, и если бы ещё цена на них была низкая - можно смело закупать партию и ставить вместо резисторов, на все светодиоды в приборах и конструкциях. Даташит на NSI45020 здесь

Светодиодный источник тока (электронная схема)

Выходные контакты интерфейса с логикой TTL (например, наш программируемый MP3-плеер) может водить в лучшем случае один светодиод. Если вы должны управлять несколькими светодиодами с одного выхода, есть несколько вариантов:

  • Управляйте реле от TTL логики и включайте / выключайте светодиоды отдельным источник питания. Это может быть удобно, если светодиоды уже имеют токоограничивающий резистор. Обратите внимание, что не все реле совместимы с уровнями TTL.Мы использовали как DIL-реле, так и твердотельные реле успешно.
  • Вместо реле используйте силовой транзистор. У этого нет перенапряжения защита реле, но она дешевле и быстрее переключается. См. Статью Выходы питания для H0420 для примера схемы. Опять же, эта схема удобна, если светодиоды уже иметь токоограничивающий резистор.
  • Для разветвления двух или более простых светодиодов, т.е. светодиоды не имеют токоограничивающего резистор, к ТТЛ выходу удобнее использовать "постоянный ток источник »схема.Этой схеме и посвящена данная статья.

Использование источника тока - лучший способ управлять несколькими светодиодами, потому что Яркость светодиода зависит от протекающего через него тока. Даже внутри серия светодиодов (с тем же номером и от одного производителя), изменение прямого напряжения светодиодов довольно велико. При использовании резистор для ограничения тока светодиода, ток, протекающий через светодиод, равен связан сразу с прямым напряжением. Изменение прямых напряжений светодиодов приводит к различиям в яркости.

Источник тока невосприимчив к вышеуказанной проблеме, поскольку он регулирует ток и не то напряжение, которое течет через светодиоды.

Схема

В приведенной ниже схеме для управления светодиодами используется отдельный источник питания. Мы обычно используйте блок питания 24 В, но подойдет любой блок питания. Единственные факторы Учтите, что вы не должны превышать максимальную рассеиваемую мощность транзистор.

Для схемы давайте сначала предположим, что к P1 ничего не подключено.Затем база транзистора и анод светодиода ( D1 ) подтянуты резистором R2 . Из-за зеленого светодиода напряжение на базе транзистора будет таким же, как прямое напряжение светодиод, который составляет 2,1 В для стандартного зеленого светодиода. Если база транзистора составляет 2,1 В, то его эмиттер будет на 0,6 В ниже, или 1,5 В. Это означает, что ток через резистор R3 составляет 15 мА (1,5 В, деленное на 100 Ом). Таким образом, этот же ток также проходит через серию светодиодов, подключенных между двумя штифты Р3 .

Если на выводе P1 будет низкий уровень, транзистор заблокируется и ток не будет будет течь через светодиоды. Эта возможность позволяет переключать последовательность Светодиоды включаются и выключаются от внешнего устройства с использованием логики TTL или выходов с открытым коллектором. Вы можете затемнить светодиоды тем же способом: выключите и включите контакты очень быстро. быстрая смена, варьируя ширину «включенного» импульса. Для достижения наилучших результатов это Схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ) должна выполняться с частотой от 50 Гц. и 100 Гц.

Если вы не планируете использовать питание от внешнего устройства, вы можете опустить резистор R1 и разъемы P1 и P2 . Даже если вы используете или для подачи тока от другого устройства, вы можете по-прежнему опускаем R1 при условии, что выходной контакт внешнего устройства является открытым коллектором или имеет внутренний резистор .

Резистор R2 можно не устанавливать, если питание подается от внешнее устройство (на P1 ), и этот вывод - , а не открытый коллектор.В частности, для нашего программируемого MP3-плеера, и R1 и R2 можно не указывать.

Конечные ноты

Максимальное количество светодиодов, которым может управлять один источник тока при 24 В, зависит от от цвета светодиодов. Каждый цвет светодиода изготовлен из разных полупроводников. материал с другим прямым напряжением. Прямые напряжения в таблице ниже являются приблизительными, потому что типичное прямое напряжение для светодиода зависит от производителя и даже в пределах серии светодиодов допуск прямое напряжение довольно высокое.

Цвет светодиода Типичное прямое напряжение Макс. Светодиоды на источник тока
Красный 1,8 В 10
Супер красный 2,2 В 9
Оранжевый 2,1 В 9
Желтый 2,1 В 9
Зеленый 2.1 В 9
Голубой (аква-зеленый) 3,5 В 6
Синий 3,6 В 6
Белый 3,5 В 6

Эта схема при 24 В может управлять до 6 белыми светодиодами и до 10 красными светодиодами. Если нужно загнать больше светодиодов, можно каскадно поставить несколько источников тока. Чтобы Сделайте так, подключите контакт P2 одного источника тока к P1 следующего текущего источника.

Доступны аналогичные источники тока предварительно построенный от Конрада (номер продукта 185027-I5).

.

Circuit VR: тонуть или плавать с источниками тока

Если вы начали заниматься электроникой где-то после 1980 года, вашим первым проектом могло быть включение светодиода. В проектах микроконтроллеров также часто загорается светодиод, а мигающий светодиод - это что-то вроде программы «hello world» для встроенных систем. Если вы попытались зажечь светодиод напрямую от батареи 9 В - не то чтобы вы в этом признавались - вы обнаружили, что он загорится. Во всяком случае, однажды. Избыточный ток взрывает светодиод, поэтому вам нужен токоограничивающий резистор.Однако эти токоограничивающие резисторы на самом деле являются плохим оправданием для источника или потребителя тока. Во многих приложениях вам нужен настоящий источник тока, и, к счастью, их несложно создать.

Как всегда с Circuit VR, мы будем использовать LT Spice для исследования схем. Если вам нужно краткое руководство, начните здесь и вернитесь после этого. Если вы используете Linux, не расстраивайтесь. Я запускаю LT Spice под WINE, и он отлично работает. Вы можете найти все файлы Spice на GitHub.

Источник или приемник

Светодиод - продолжая этот пример - на самом деле не заботится о токоограничивающем резисторе.Он заботится о текущем через него токе. Как правило, чем больше ток, тем ярче светодиод. Простой резистор дешев и прост, но у него есть ограничения. Во-первых, на яркость влияет и напряжение питания. Мы испорчены работой с системами, которые имеют регулируемые источники питания, но часть оборудования, в которой используется нерегулируемое питание, например автомобильный аккумулятор, может иметь широкий диапазон напряжений в различных условиях. Что вам нужно, так это устройство, которое может подавать или потреблять заданное количество тока независимо от напряжения питания.

Помните, что в одноконтурной цепи ток везде одинаковый, поэтому часто не имеет значения, контролируете ли вы величину входящего или выходящего тока. Цепи, которые подают ток (с использованием соглашения о положительном потоке тока), обычно известны как источники тока, а цепи, которые ограничивают ток со стороны земли, называются стоками.

Светодиоды

- не единственное, для чего нужен источник или приемник тока. Например, в зарядном устройстве для батареи может использоваться постоянный ток. В качественном усилителе часто используется источник тока в качестве нагрузочного резистора.Зарядка конденсатора постоянным током приводит к хорошей линейной кривой вместо кривой, как при зарядке постоянным напряжением.

Биполярный

Возможно, самый простой приемник тока - это транзистор NPN, например 2N2222. Переход база-эмиттер выглядит как диод, поэтому, если предположить, что вы смещаете его вперед, на эмиттере будет примерно на 0,7 В меньше, чем на базе. На самом деле это число немного зависит от температуры и других факторов, но для обычного кремниевого транзистора - 0.7 В достаточно близко.

Предполагая, что бета транзистора высока - а современные устройства обычно довольно высоки - любой ток, протекающий через эмиттер, будет эффективно течь и через коллектор. Это немного упрощено, поскольку он игнорирует базовый ток, но он может быть очень маленьким, поэтому мы его проигнорируем.

D1 - светодиод с обычным ограничивающим резистором. Прямое напряжение составляет около 2,7 В, а напряжение питания - 12 В, поэтому резистор получает около 9,3 В.С указанным резистором это означает, что через резистор проходит около 20 мА, а значит, и через светодиод.

D2 , однако, использует простой приемник тока. R3 и R4 делят входное напряжение примерно до 1,7 В на основе Q1 . Это означает, что на эмиттере около 1 В. Если вы посчитаете вручную, вы можете подумать, что R3 и R4 имеют значения, которые не дают 1,7 В. Я скажу вам, почему через минуту, а пока просто примите это на веру (и, если хотите, запустив симуляцию), что базовое напряжение равно 1.7 В.

Фактически, вот результат моделирования специй (с небольшой дополнительной аннотацией):

 --- Рабочая точка ---

V (vled): 2,74756 напряжение  светодиод падает около 2,75 В 
В (n001): 12 напряжения
V (vc): 9,25399 напряжение  Около 12-2,75 
V (ve): 0,992536 напряжение  Около 0,7 В ниже Vb 
V (vb): 1,72943 напряжение  Устанавливается (более или менее) R3 / R4 
Ic (Q1): 0,0197532 device_current  Поскольку Ib мало, | Ic | примерно равно | Т.е. | 
Ib (Q1): 9.74841e-005 device_current
Ie (Q1): -0.0198507 device_current  | Ie | = | Ic + Ib | (знак указывает направление) 
I (D2): 0,0197532 device_current  Ток светодиода достаточно близок к 20 мА 
I (D1): 0,020114 device_current Ток светодиода, достаточно близкий к 20 мА
I (R4): 0,0101731 device_current
I (R3): 0,0102706 device_current
I (R2): 0,0198507 device_current  Устанавливается Ve / R2, который устанавливает Ie, который устанавливает Ic 
I (R1): 0,020114 device_current
Я (V1): -0.0501378 device_current 

Как и было обещано, Ve составляет всего около 1 В. Это делает резистор эмиттера R2 похожим на резистор ограничения тока светодиода. На нем имеется 1 В и поэтому он потребляет 20 мА, как вы можете видеть на выходе. Поскольку Ic находится в пределах 100 микроампер или около того от Ie , светодиод - D2 - также имеет ток 20 мА.

Это лучше?

Вы можете задаться вопросом, почему это лучше. У нас есть несколько дополнительных компонентов и мы получаем практически тот же результат.По правде говоря, в том виде, в каком я его здесь нарисовал, действительно не намного лучше. Это связано с тем, что базовое напряжение, задающее ток, является фиксированным и зависит от напряжения питания. Но так быть не должно.

Например, я мог бы заменить R3 и R4 на резистор и стабилитрон или даже несколько обычных диодов и получить напряжение, не зависящее от напряжения питания. Я также могу изменять базовое напряжение и контролировать количество тока через светодиод или другие устройства нагрузки.

Однако для некоторых нагрузок даже эта схема может быть лучше простого резистора. Допустим, у вас вместо светодиода черный ящик. Из-за лампочек, двигателей или чего-то внутри, кажется, резистор меняет свое значение. Другими словами, если вы поместите на него батарею, он может начать выглядеть как резистор 1 Ом, но через несколько секунд он будет выглядеть как резистор 20 Ом. Нередко бывает что-то, что демонстрирует пусковой ток при запуске.

При использовании ограничительного резистора величина тока, потребляемого такой переменной нагрузкой, будет изменяться при изменении эффективного сопротивления.Но с нашей простой транзисторной схемой всегда будет течь 20 мА. Хорошо. Вроде, как бы, что-то вроде.

Вопрос о соответствии

Практические источники тока имеют определенный диапазон соответствия, поскольку они не могут обеспечивать бесконечное напряжение. Давайте посмотрим на другое моделирование, чтобы увидеть, как это работает.

В этой схеме источник тока через PNP-транзистор. Напряжение базы примерно на 0,7 В меньше напряжения эмиттера. Таким образом, при 10,3 В на базе эмиттер имеет около 11 В, а R1 видит около 1 В.Это устанавливает ток, но на этот раз нагрузка идет с коллектора на землю.

Когда резистор нагрузки низкий, схема может легко подать требуемый примерно 100 мА. В конце концов, резистору 10 Ом нужно всего 1 В. Но схема может довести коллектор только до 11 В. Поэтому очевидно, что где-то после 100 Ом все пойдет не так. Вы можете видеть, что на диаграмме из моделирования, где я увеличил нагрузочный резистор с 1 Ом до 150 Ом:

Синий график (тот, который начинается в нижнем левом углу для дальтоника) - это напряжение, необходимое для генерации тока 98 мА через резистор.Зеленая кривая будет плоской, пока вы не дойдете до точки 11 В. Затем оно резко падает, так как цепь больше не может подавать напряжение.

Напряжение всей базы

Чтобы упростить этот пример, я просто поставил на базу идеальный источник напряжения. Но в первом примере я использовал делитель напряжения с резистором 1 кОм и 170 Ом. Если вы немного посчитаете, то увидите, что 170 / (170 + 1000) = 0,15 (примерно). Таким образом, при питании 12 В можно подумать, что делитель выдает 1,8 В. Однако фактическое базовое напряжение в этом примере примерно на 1/10 вольта меньше.

Причина проста. Значение R4 действительно параллельно эмиттерному резистору ( R2 ), умноженному на бета транзистора. Поскольку R4 является маленьким, а R2 бета-версии, вероятно, довольно велико (по крайней мере, 50 000, я полагаю), эффект невелик. Однако, если бы R4 были большими, это могло иметь серьезные последствия.

Кстати, я не поленился оценить эффективное сопротивление. Бета-коэффициент транзистора не является очень стабильным параметром, поэтому, каким бы ни было номинальное значение, оно будет немного меняться в зависимости от тока, температуры и даже от устройства к устройству.

Но подождите, есть еще…

Эти простые источники и приемники тока весьма полезны. Однако есть некоторые ограничения и схемы, которые мы рассмотрим в будущем, которые попытаются смягчить эти ограничения. Например, полевые транзисторы могут сделать это довольно хорошо, если потребуется немного больше математики. Также часто используется более одного устройства для зеркального отражения тока, то есть брать эталонный ток и воспроизводить его. Звучит бесполезно, но воспринимайте это как то же самое, что и эмиттерный повторитель для напряжения.Источник напряжения воспринимает небольшую нагрузку и создает выходное напряжение, которое может обеспечить больший ток, чем исходный источник. То же самое для текущего зеркала. Опорный ток может не иметь широкого диапазона согласованных напряжений или, как резистор, быть чувствительным к нагрузке. Зеркало будет представлять стабильную нагрузку, обеспечивая при этом более устойчивый выходной ток.

Если вы хотите провести эксперимент, замените нагрузочный резистор в цепи PNP конденсатором и запустите анализ переходных процессов. Просто не забудьте установить опцию UIC в командной строке анализа (установите флажок пропустить решение для начальной рабочей точки).Посмотрите напряжение на конденсаторе. Изменяя резистор, задающий ток, и емкость конденсатора, вы можете создать разное время зарядки прямой линии. Вы можете найти мое решение в Интернете.

.Конструкции цепей токового зеркала

с использованием BJT и MOSFET

Зеркало тока - широко популярный метод проектирования монолитных ИС. В этом методе схема спроектирована таким образом, что она копирует ток, проходящий через одно активное устройство, в другое активное устройство с функцией контроля тока. В этом случае ток, протекающий через одно устройство, может быть скопирован в другое устройство, но в инвертирующей форме. Если изменяется ток первого устройства, зеркальный токовый выход другого устройства также изменится.Таким образом, контролируя ток в одном устройстве, можно управлять током в другом устройстве. Таким образом, схему токового зеркала часто называют источником тока с регулируемым током или CCCS .

Характеристика и зависимость токовой цепи зеркала

Цепь токового зеркала имеет множество первичных и вторичных зависимостей, и это основная проблема для характеристики токовой зеркальной цепи.

Правильная схема токового зеркала может быть охарактеризована с помощью трех спецификаций.

1. Текущий коэффициент передачи

Схема токового зеркала, зеркала или копирования входного тока одного активного устройства на выход других активных устройств. Идеальная схема токового зеркала - это идеальный усилитель тока с инвертирующей конфигурацией, которая может изменять направление тока. Следовательно, для идеального усилителя тока важным параметром является коэффициент передачи тока.

2. Выходное сопротивление переменного тока

Сопротивление зависит от напряжения тока в соответствии с законом омов.Таким образом, выходное сопротивление переменного тока играет важную роль в стабильности выходного тока по отношению к изменениям напряжения.

3. Падение напряжения

Цепь исправного рабочего зеркала имеет низкое падение напряжения на выходе. Диапазон напряжения, в котором может работать схема токового зеркала, называется диапазоном соответствия , а минимальное и максимальное поддерживаемое напряжение в этом диапазоне соответствия называется напряжением соответствия . Для поддержания транзистора в активном режиме требуется минимальное напряжение, поэтому минимальное напряжение зависит от характеристик транзистора.

Ограничения в схемах зеркала реального тока

Идеальная схема и реальная схема, эти две совершенно разные. В реальном мире нет ничего идеального или идеального. Однако, прежде чем понимать ограничения токовых зеркальных схем применительно к реальным приложениям, необходимо понять источники напряжения и тока, а также их идеальное и фактическое поведение.

Источник напряжения - это устройство, способное подавать фиксированное и стабильное напряжение на нагрузку. В идеальной терминологии источник напряжения будет обеспечивать постоянное постоянное напряжение, не зависящее от тока нагрузки . Следовательно, мы можем подключить любое сопротивление нагрузки к идеальному источнику напряжения и каждый раз получать стабильное и фиксированное напряжение. В реальных источниках напряжения дело обстоит иначе. В реальном мире источники напряжения, такие как батареи, блоки питания и т. Д., Не могут обеспечивать нагрузку неограниченным или бесконечным током.

То же, что и идеальный источник напряжения, независимо от напряжения на клеммах источник тока может подавать или принимать токи.Но в реальном мире напряжение также влияет на процесс подачи постоянного тока.

В случае цепей токового зеркала идеально подходят источники напряжения и тока. Но в реальном сценарии у них есть шумы, допуски, пульсации, поэтому выходное напряжение меняется. Все это влияет на текущий вывод зеркала.

Не только это, но и теоретически в схемах с идеальным токовым зеркалом импеданс переменного тока считается бесконечным, но в реальных условиях это не так.Схема токового зеркала в практическом мире имеет конечный импеданс, который влияет на процесс доставки тока. Также реализация схемы создает паразитную емкость , что приводит к ограничению частоты .

Схема токового зеркала с использованием BJT

Биполярные переходные транзисторы широко используются для зеркального отображения тока. Первый трюк с использованием биполярного переходного транзистора в качестве схемы токового зеркала состоит в том, чтобы построить экспоненциальный преобразователь напряжения в ток с использованием транзистора.Это делается путем подачи напряжения на переход база-эмиттер BJT, а ток коллектора берется как выходной. В этой конфигурации преобразователя напряжения в ток простая отрицательная обратная связь через транзистор преобразует свойства преобразователя напряжения в ток в противоположный логарифмический преобразователь тока в напряжение. Обычно отрицательная обратная связь осуществляется путем соединения базы и коллектора транзистора.

Current Mirror Circuit using BJT

Рассмотрим изображение выше .Прежде чем понимать, как работает схема, важно понять рабочие характеристики транзистора. В активном режиме ток коллектора транзистора может быть вычислен путем умножения тока базы на коэффициент β. Отношение между током эмиттера и током коллектора называется. Связь между этими двумя понятиями можно описать с помощью простой математической формации

  ɑ = β / (β + 1)  

Следовательно, постоянное напряжение база-эмиттер обеспечивает постоянный ток эмиттера.Этот постоянный эмиттерный ток , который можно умножить на постоянный коэффициент, дополнительно обеспечивает постоянный ток коллектора .

На предыдущем рисунке диод с прямым смещением используется параллельно переходу база-эмиттер, который обеспечивает постоянное напряжение на транзисторе. Напряжение на базе эмиттера постоянно в зависимости от тока, протекающего через диод. Однако ток диода можно контролировать с помощью резистора смещения. Если ток через диод уменьшается за счет увеличения значения сопротивления смещения, падение напряжения на диоде также уменьшится.В результате уменьшения напряжения на переходе база-эмиттер ток эмиттера также уменьшится в той же пропорции. Следует помнить, что и β транзистора постоянны.

Изменяя ток диода, можно управлять током эмиттера транзистора . Таким же образом можно изменять ток коллектора транзистора в той же пропорции. По этому правилу эмиттерный ток транзистора может быть измерен в коллекторе транзистора.Таким образом, резистор смещения может управлять током коллектора транзистора.

Этот диод можно легко заменить с помощью транзистора, аналогичного другому аналогу.

На изображении ниже показаны два транзистора, которые используются для создания схемы зеркального отражения тока. Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одним и тем же аналогом. Кроме того, два транзистора должны быть размещены близко друг к другу для равной теплоотдачи.

Current Mirror Circuit using Transistor

Если внимательно посмотреть на схему, база-эмиттер двух транзисторов, Т1 и Т2, параллельны друг другу. Следовательно, два транзистора имеют одинаковый ток. Итак, лучший способ определить выходной ток - это сложить ток узла, по которому течет I REF .

По закону Кирхгофа ток на коллекторе Т1 равен -

  I  REF  = I  C  + I  B1  + I  B2   

Следовательно, когда оба транзистора работают с нулевым смещением база-коллектор, базовые токи равны,

  Базовый ток T1 (I  B1 ) = Базовый ток T2 (I  B2 ) = Общий базовый ток узла (I  B )  

Base Current Formula for Current Mirror Circuit using Transistor

Конечное выходное сопротивление выходного транзистора можно рассчитать по следующей формуле:

  R  OUT  = V  A  + V  CE  / I  C  Согласно R = V / I  

Напряжение соответствия , где В DG = 0 и текущее поведение зеркала все еще работает при самом низком выходном напряжении, можно рассчитать следующим образом:

V CV = V T ln ((I C / I S ) +1)) Где V T представляет тепловое напряжение, а I S - ток шкалы.

Техника токового зеркала с использованием полевого МОП-транзистора

Схема токового зеркала

может быть легко реализована с использованием двух полевых МОП-транзисторов. Схема токового зеркала полевого МОП-транзистора работает так же, как описано в предыдущем разделе о транзисторах.

Current Mirror Circuit using MOSFET

Рассмотрим приведенную выше схему токового зеркала с использованием MOSFET , полевой МОП-транзистор M1 находится в области насыщения как V DS ≤ V GS .В случае MOSFET M2 он также будет оставаться в режиме насыщения, пока выходное напряжение больше напряжения насыщения. Следовательно, входной ток через M1 будет напрямую управлять выходным током M2.

Устройство

MOSFET работает следующим образом: ток стока отражает функцию затвора по истоку и стока по напряжению затвора.

Итак, формулу можно записать с помощью следующей функции:

  I  D  = f (V  GS , V  DG )  

Благодаря этому входной ток в MOSFET M1 зеркально отражается на токе стока.На изображении входной ток обеспечивается резистором смещения.

Если напряжение между стоком и затвором V DG равно 0 для MOSFET M1, ток стока M1 будет

  I  D  = f (V  GS , V  DG  = 0)  

Следовательно, f (V GS , 0) = I IN Таким образом, I IN устанавливает значение V GS. . То же напряжение затвор-исток отражается через M2. Итак, если M2 смещен с использованием нуля

V DG и предоставленные транзисторы M 1 и M 2 имеют идентичные свойства и точное соответствие, тогда

I OUT = f (V GS , V DG = 0) верно.

Итак, выходной ток отражается как входной, I OUT = I IN

Напряжение сток-исток может быть дополнительно представлено как V DS = V DG + V GS . С этой заменой модель Шичмана-Ходжеса может дать приблизительный ответ f (V GS , V DG ):

Функцию можно выразить как

Drain Current Formula for Current Mirror Circuit using Transistor

Также можно рассчитать выходное сопротивление, поскольку выходное сопротивление конечно,

Output Resistance Formula for Current Mirror Circuit

В приведенных выше формулах K P - константа, связанная с технологией транзисторов, W / L - это отношение ширины и длины, а λ используется для постоянной модуляции длины канала.

В GS , V th и V DS - это напряжение затвор-исток, пороговое напряжение и напряжение стока-истока соответственно.

Напряжение соответствия , где V DG = 0 и сопротивление выходного полевого МОП-транзистора все еще высокое, токовое зеркало по-прежнему работает при самом низком выходном напряжении. Соответствие напряжения можно рассчитать, выведя условие -

.
  V  CV  = V  GS  (I  D  при V  DG  = 0) 
  Или, f -1  (I  D ), когда V  DG  = 0  

Практическая модель схемы токового зеркала

Текущая схема зеркала смоделирована с использованием моделей Proteus.

Practical Model for Current Mirror Circuit

В левой части показана схема токового зеркала с использованием 2N2222 BJT, где используются две идентичные пары транзисторов. Вместо программирующего резистора используется потенциометр для управления током в реальном времени. То же самое сделано для полевых МОП-транзисторов 2N6660.

Амперметр подключается как со стороны входа, так и со стороны выходного тока. По мере моделирования входной ток почти такой же и отражается через вторичную обмотку.

Подробно работу можно увидеть в видео ниже.

Применение токовой зеркальной цепи

Существуют широкие применения схемы токового зеркала в области производства интегральных схем. Источник опорный ток создается с помощью токового зеркала. Используя этот метод, можно создать нескольких контрольных точек из одного источника. Следовательно, изменение одной контрольной точки также изменяет источник тока в разных частях схемы.

.

Методы токового зеркалирования Уилсона и Видлара

В предыдущей статье мы обсуждали схему токового зеркала и то, как ее можно построить с использованием транзистора и полевого МОП-транзистора. Несмотря на то, что базовая схема токового зеркала может быть построена с использованием двух простых активных компонентов, BJT и MOSFET, или с использованием схемы усилителя, выход не идеален, а также имеет определенные ограничения и зависимости от внешних факторов. Таким образом, чтобы получить стабильный выходной сигнал, в цепях токового зеркала используются дополнительные методы.

Улучшение схемы основного токового зеркала

Есть несколько вариантов улучшения выходной мощности схемы зеркального отражения тока. В одном из решений один или два транзистора добавляются по сравнению с традиционной двухтранзисторной конструкцией. Конструкция этих схем использует конфигурацию эмиттерного повторителя для преодоления несоответствия базового тока транзисторов. Конструкция может иметь различную структуру схемы для балансировки выходного импеданса.

Есть трех основных показателей для анализа текущей производительности зеркала как части большой схемы.

1. Первая метрика - это величина статической ошибки . Это разница между входным и выходным токами. Свести к минимуму разницу - сложная задача, поскольку разница между дифференциальным несимметричным выходным преобразованием и коэффициентом усиления дифференциального усилителя отвечает за управление коэффициентом подавления синфазного сигнала и источника питания.

2. Следующим по важности показателем является выходное сопротивление источника тока или выходная проводимость.Это очень важно, потому что это снова влияет на каскад, когда источник тока действует как активная нагрузка. Это также влияет на усиление синфазного сигнала в различных ситуациях.

3. Для стабильной работы цепей зеркала тока последней важной метрикой является минимальное напряжение , поступающее от соединения шины питания, расположенного через входные и выходные клеммы.

Итак, чтобы улучшить выходной сигнал схемы базового токового зеркала с учетом всех вышеперечисленных показателей производительности, здесь мы обсудим популярные методы токового зеркала - схему токового зеркала Уилсона и схему источника тока Видлара.

Схема токового зеркала Вильсона

Все началось с задачи между двумя инженерами, Джорджем Р. Уилсоном и Барри Гилбертом, сделать за одну ночь улучшенную схему зеркала тока. Излишне говорить, что Джордж Р. Уилсон выиграл этот вызов в 1967 году. От имени Джорджа Р. Уилсона разработанная им усовершенствованная схема токового зеркала называется Wilson Current Mirror Circuit .

Схема токового зеркала Вильсона использует три активных устройства , которые принимают ток через свой вход и предоставляют точную или зеркальную копию тока на свой выход.

Wilson Current Mirror Circuit

В приведенной выше схеме токового зеркала Уилсона есть три активных компонента, которые являются BJT, и один резистор R1.

Здесь сделаны два предположения: одно состоит в том, что все транзисторы имеют одинаковый коэффициент усиления по току, а второе - что токи коллектора T1 и T2 равны, поскольку T1 и T2 согласованы и один и тот же транзистор. Следовательно,

  I  C1  = I  C2  = I  C   

То же относится и к базовому току,

  I  B1  = I  B2  = I  B   

Базовый ток транзистора T3 можно легко рассчитать по коэффициенту усиления по току, который составляет

.
  I  B3  = I  C3  / β… (1)  

А ток эмиттера Т3 будет

  I  B3  = ((β + 1) / β) I  C3 … (2)  

Если мы посмотрим на приведенную выше схему, то ток через эмиттер T3 является суммой тока коллектора T2 и базовых токов T1 и T2.Следовательно,

  I  E3  = I  C2  + I  B1  + I  B2   

Теперь, как обсуждалось выше, это может быть дополнительно оценено как

  I  E3  = I  C  + I  B  + I  B  
Я  E3  = Я  C  + 2I  B  

Следовательно,

  I  E3  = (1+ (2 / β)) I  C   

I E3 можно заменить согласно (2)

  ((β + 1) / β)) I  C3  = (1+ (2 / β)) I  C   

Ток коллектора можно записать как,

  I  C  = ((1+ β) / (β + 2)) I  C3 … (3)  

Снова согласно схеме ток через

Wilson Current Mirror Circuit Calculation

Вышеприведенное уравнение может показать взаимосвязь между током коллектора Третьего транзистора и входным резистором.Как? Если 2 / (β (β + 2)) << 1, то I C3 ≈ I R1 . Выходной ток также можно легко рассчитать, если напряжение база-эмиттер транзисторов меньше 1 В.

  I  C3  ≈ I  R1  = (V  1  - V  BE2  - V  BE3 ) / R  1   

Итак, для правильного и стабильного выходного тока R 1 и V 1 должны иметь правильные значения. Чтобы схема действовала как источник постоянного тока, R1 необходимо заменить на источник постоянного тока.

Улучшение схемы токового зеркала Вильсона

Схема токового зеркала

Вильсона может быть дополнительно улучшена для получения идеальной точности путем добавления еще одного транзистора .

Improving the Wilson Current Mirror Circuit

Вышеупомянутая схема является улучшенной версией схемы токового зеркала Вильсона. В схему добавлен четвертый транзистор Т4. Дополнительный транзистор T4 уравновешивает напряжение коллектора T1 и T2. Напряжение коллектора Т1 стабилизируется на величину, равную В, ВЕ4 .Это приводит к конечной, а также стабилизации разности напряжений между T1 и T2.

Преимущества и ограничения метода токового зеркала Вильсона

Схема токового зеркала имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционной базовой схемой токового зеркала -

  1. В случае схемы основного токового зеркала несоответствие основного тока является распространенной проблемой. Однако эта схема токового зеркала Вильсона практически исключает ошибку баланса базового тока.Благодаря этому выходной ток близок к точности входного тока. Мало того, в схеме используется очень высокий выходной импеданс из-за отрицательной обратной связи через T1 от базы T3.
  2. Усовершенствованная схема токового зеркала Вильсона сделана с использованием 4 версий транзисторов, поэтому она полезна для работы при высоких токах.
  3. Схема токового зеркала Вильсона обеспечивает низкий импеданс на входе.
  4. Он не требует дополнительного напряжения смещения и требует минимальных ресурсов для его создания.

Ограничения токового зеркала Вильсона:

  1. Когда схема токового зеркала Вильсона смещена с максимально высокой частотой, петля отрицательной обратной связи вызывает нестабильность частотной характеристики.
  2. Он имеет более высокое напряжение согласования по сравнению с базовой схемой двухтранзисторного зеркала.
  3. Схема токового зеркала Вильсона создает шум на выходе. Это происходит из-за обратной связи, которая увеличивает выходное сопротивление и напрямую влияет на ток коллектора.Колебания тока коллектора вносят вклад в шумы на выходе.

Практический пример схемы токового зеркала Вильсона

Здесь токовое зеркало Вильсона моделируется с помощью Proteus.

Wilson Current Mirror Circuit Example

Три активных компонента (BJT) используются для создания схемы. Все BJT - это 2N2222 с одинаковыми характеристиками. Горшок выбирается для изменения тока на коллекторе Q2, который в дальнейшем отразится на коллекторе Q3.В качестве выходной нагрузки выбирается резистор на 10 Ом.

Вот видео моделирования для техники Wilson Current Mirror -

На видео запрограммированное напряжение на коллекторе Q2 отражается от коллектора Q3.

Техника токового зеркала Видлара

Еще одна отличная схема токового зеркала - схема источника тока Видлара , изобретенная Бобом Видларом.

Схема точно такая же, как и основная схема токового зеркала, использующая два BJT-транзистора. Но есть модификация выходного транзистора. В выходном транзисторе используется резистор вырождения эмиттера, чтобы обеспечить низкие токи на выходе, используя только умеренные значения резистора.

Один из популярных примеров применения источника тока Видлара - схема операционного усилителя uA741.

На изображении ниже показана схема источника тока Видлара.

Widlar Current Mirror Technique

Схема состоит всего из двух транзисторов T1 и T2 и двух резисторов R1 и R2. Схема такая же, как и схема токового зеркала на двух транзисторах без R2. R2 соединен последовательно с эмиттером T2 и землей. Этот эмиттерный резистор эффективно снижает ток через T2 по сравнению с T1. Это происходит за счет падения напряжения на этом резисторе, это падение напряжения снижает напряжение база-эмиттер выходного транзистора, что дополнительно приводит к уменьшению тока коллектора на T2.

Анализ и определение выходного сопротивления цепи токового зеркала Видлара

Как упоминалось ранее, ток через T2 уменьшается по сравнению с током T1, что может быть дополнительно протестировано и проанализировано с помощью моделирования Cadence Pspice. Давайте посмотрим на схему и моделирование схемы Видлара на изображении ниже,

.

Output Impedance for Widlar Current Mirror Circuit

Трасса построена в Cadence Pspice. В схеме используются два транзистора с одинаковой спецификацией - 2N2222.Датчики тока показывают график тока на коллекторах Q2 и Q1.

Моделирование можно увидеть на изображении ниже.

Output Impedance for Widlar Current Mirror Circuit

На приведенном выше рисунке красный график, показывающий ток коллектора Q1, уменьшается по сравнению с Q2.

Применение KVL (закона напряжения Кирхгофа) на переходе база-эмиттер схемы,

  В  BE1  = В  BE2  + I  E2  R  2  
  V  BE1  = V  BE2  + (β + 1) I  B2  R  2   

β 2 предназначен для выходного транзистора.Он полностью отличается от входного транзистора, поскольку график тока на графике моделирования ясно показывает, что ток в двух транзисторах различен.

Окончательная формула может быть получена из приведенной выше формулы, если конечное β отменено и если мы изменим I C1 на I IN и I C2 на I OUT . Следовательно,

Для измерения выходного сопротивления источника тока Видлара полезной опцией является схема слабого сигнала.На изображении ниже представлена ​​эквивалентная схема малого сигнала для источника тока Widlar .

Small Signal Circuit for Widlar Current Source

Ток Ix применяется к цепи для измерения выходного сопротивления цепи. Итак, согласно закону Ома, выходное сопротивление равно

  Вкс / Икс  

Выходное сопротивление можно определить, применив закон Кирхгофа через левую землю к R2, это -

Calculation for Widlar Current Source

Опять же, применяя закон Кирхгофа по напряжению между землей R2 и землей входного тока,

  В  X  = I  X  (R  0  + R  2 ) + I  b  (R  2  - βR  0 )  

Теперь, изменив значение, окончательное уравнение для получения выходного сопротивления цепи Widlar Current Mirror будет

Output Resistance of Widlar Current Mirror Circuit

Таким образом, Wilson и Widlar Current Mirror Techniques можно использовать для улучшения конструкции базовой схемы токового зеркала.

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о