Led driver схема. Схема драйвера светодиодов: обзор типов, принципов работы и расчетов

alexxlabСхем
Какие бывают типы схем драйверов светодиодов. Как работают линейные и импульсные драйверы. Как рассчитать параметры драйвера светодиодов. Какие преимущества и недостатки у разных типов драйверов.

Содержание

Принципы работы схемы драйвера светодиодов

Схема драйвера светодиодов выполняет несколько важных функций:

  • Преобразует переменный ток сети в постоянный ток, необходимый для питания светодиодов
  • Обеспечивает стабильный ток через светодиоды
  • Защищает светодиоды от перегрузок по току и напряжению
  • Позволяет регулировать яркость свечения (диммирование)

Существует два основных типа драйверов светодиодов:

  1. Линейные драйверы
  2. Импульсные (ключевые) драйверы

Рассмотрим принципы работы и особенности каждого типа.

Линейные драйверы светодиодов

Линейный драйвер представляет собой простейшую схему управления светодиодами. Его основные компоненты:

  • Источник постоянного напряжения
  • Токоограничивающий резистор

Принцип работы линейного драйвера:


  1. Напряжение источника питания должно превышать суммарное падение напряжения на светодиодах
  2. Избыток напряжения гасится на токоограничивающем резисторе
  3. Ток через светодиоды определяется сопротивлением резистора

Расчет параметров линейного драйвера

Рассмотрим пример расчета для схемы с тремя последовательно соединенными светодиодами:

  • Напряжение питания: 12 В
  • Прямое падение напряжения на одном светодиоде: 3,2 В
  • Требуемый ток через светодиоды: 20 мА

Расчет сопротивления токоограничивающего резистора:

R = (U пит — 3 * U диода) / I
R = (12 В — 3 * 3,2 В) / 0,02 А = 120 Ом

Мощность, рассеиваемая на резисторе:

P = I^2 * R = 0,02^2 * 120 = 0,048 Вт

Преимущества и недостатки линейных драйверов

Преимущества:

  • Простота схемы
  • Низкая стоимость
  • Отсутствие электромагнитных помех

Недостатки:

  • Низкий КПД (30-60%)
  • Большие потери энергии на нагрев
  • Сложность регулировки яркости

Импульсные драйверы светодиодов

Импульсные драйверы используют принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для управления током через светодиоды. Основные компоненты:


  • Силовой ключ (транзистор)
  • Индуктивность
  • Выпрямительный диод
  • Конденсатор фильтра
  • Схема управления ШИМ

Принцип работы импульсного драйвера:

  1. Силовой ключ периодически открывается и закрывается с высокой частотой
  2. При открытом ключе ток нарастает в индуктивности
  3. При закрытом ключе энергия индуктивности передается в нагрузку
  4. Выходной ток определяется скважностью ШИМ

Типы импульсных драйверов

Существует три основных топологии импульсных драйверов:

  • Понижающие (Buck)
  • Повышающие (Boost)
  • Инвертирующие (Buck-Boost)

Выбор топологии зависит от соотношения входного и выходного напряжений.

Преимущества и недостатки импульсных драйверов

Преимущества:

  • Высокий КПД (до 95%)
  • Возможность работы в широком диапазоне входных напряжений
  • Простота реализации диммирования

Недостатки:

  • Более сложная схема
  • Наличие электромагнитных помех
  • Более высокая стоимость

Выбор типа драйвера светодиодов

При выборе типа драйвера следует учитывать следующие факторы:

  • Требуемая мощность светодиодов
  • Диапазон входных напряжений
  • Необходимость диммирования
  • Требования по КПД
  • Стоимость

Для маломощных применений (до 1-2 Вт) подойдут простые линейные драйверы. Для более мощных светильников оптимальным выбором будут импульсные схемы.

Расчет параметров импульсного драйвера

Рассмотрим пример расчета понижающего импульсного драйвера:

  • Входное напряжение: 24 В
  • Выходное напряжение: 12 В
  • Выходной ток: 1 А
  • Частота переключения: 100 кГц

Скважность ШИМ:

D = Uвых / Uвх = 12 В / 24 В = 0,5

Индуктивность дросселя:

L = (Uвх — Uвых) * D / (f * ΔI)
L = (24 В — 12 В) * 0,5 / (100 кГц * 0,3 А) = 100 мкГн

Емкость выходного конденсатора:

C = ΔI / (8 * f * ΔUвых)
C = 0,3 А / (8 * 100 кГц * 0,12 В) = 312 мкФ

Интегральные микросхемы драйверов светодиодов

Современные интегральные микросхемы значительно упрощают разработку драйверов светодиодов. Они содержат:

  • Силовой ключ
  • Схему управления ШИМ
  • Защитные функции
  • Цепи обратной связи

Популярные серии микросхем драйверов:

  • Texas Instruments: LM3404, LM3414
  • ON Semiconductor: NCL30160, NCP3066
  • Maxim Integrated: MAX16834, MAX16833

Использование специализированных микросхем позволяет создавать компактные и эффективные драйверы светодиодов с минимальным количеством внешних компонентов.

Заключение

Выбор оптимальной схемы драйвера светодиодов зависит от конкретного применения. Линейные драйверы просты и дешевы, но имеют низкий КПД. Импульсные драйверы сложнее, но обеспечивают высокую эффективность и гибкость. Использование современных интегральных микросхем значительно упрощает разработку эффективных драйверов светодиодов.


LED драйвер (driver) для светодиодов – схема, характеристики, как подобрать

Светодиодная иллюминация является относительно новым и перспективным направлением в обустройстве интерьеров и экстерьеров. При этом большая ответственность заключается в выборе комплектующих для такого искусственного источника. Правильно выбранная электроника, к которой относится и led driver, обеспечивает долговечную и бесперебойную эксплуатацию всего комплекса приборов.

Особенности работы

Схема светодиодного подключения подразумевает наличие источника тока постоянного типа. Соответственно к имеющимся лентам нужен источник питания не 220 В электросети, а значительно меньший уровень постоянного тока. Привести все к норме помогает led driver – специальный выпрямитель.

Для каждой цепи характерны физические параметры:

  • своя мощность, Вт;
  • сила тока, А;
  • напряжение, В.

Поэтому необходимо рассчитать и выбрать соответствующий светодиодный драйвер. Нередко пользователи сталкиваются с тем, что готов проект схемы подключения, имеются в наличии светодиоды, а подобрать или купить оптимальный драйвер питания светодиодов нет возможности.

Фактически блок питания представляет собой небольшой по габаритам прибор, выдающий на контактах установленное производителями напряжение и силу тока. В идеале эти параметры не зависят от применяемой к нему нагрузки.

Подключение двух резисторов параллельно

Зная законы физики, можно рассчитать, что при подключении к источнику тока с напряжением 12В потребителя с сопротивлением 40 Ом (в качестве последнего может выступать резистор), то по цепи будет протекать 0,3 А. Если же в схеме будет участвовать пара таких параллельных резисторов, то ампераж поднимется до 0,6 А.

Подключение резистора 40 Ом

Драйвер для светодиода работает на поддержание стабильной силы тока. Значение напряжения в таком случае способно варьироваться. При подключении к нему во время выдачи 0,3 А резистора на 40 Ом, потребитель будет питаться напряжением в 12 В. Если же добавить параллельно второй резистор, то напряжение упадет до 6 В, а сила тока останется 0,3А.

При подключении 2-х резисторов ток будет 300А, а напряжение 6В

Самые лучшие драйверы светодиодов обеспечивают любой нагрузке установленный производителями параметр тока, ни взирая на значительное падение напряжения. При этом потребители при опускании значения напряжения до 2 В и получении 0,3 А будут такими же яркими, как и при 3 В и 0,3 А.

Параметры для выбора

Грамотно выбрать драйвер для светодиодной ленты помогают технические параметры изделия. Одним из них является мощность. Она рассчитывается для любого источника питания. Мощность напрямую зависит от параметров компонентов и их количества. Допустимое максимальное значение указано на лицевой стороне упаковки или тыльной части самого изделия.

Мощность для силовых источников обязательно подбирается большей, чем имеющееся значение цепи. В противном случае произойдет повышение температуры блока.

Также обращаем внимание на силу тока и напряжение. Каждый завод маркирует свои изделия, указывая номинальный ампераж. Для светодиодов своими силами подбираем соответствующий светодиодный драйвер. Наиболее популярными являются диоды, потребляющие 0,35 А или 0,7 А. При этом ленты производители предлагают 12 В либо 24 В. Маркировка на блоках питания проводится в виде напряжения и мощности.

Так как драйверы для светодиодов могут располагаться сейчас в любых условиях, то важно обратить внимание на влагозащищенность и класс герметичности.

Нередко приходится применять диоды во влажных условиях, например рядом с бассейном или непосредственно в нем. Тогда требуется обращать внимание на показатель IP, который указывает защиту от проникновения влаги. Значение IPX6 демонстрирует возможность временного затопления, а IPX9 позволяет выдерживать значительное давление.

ВИДЕО: Светодиоды — питание (LED-драйверы)

Варианты подключения

Разберем несколько примеров, как подобрать драйвер для светодиодов. Можно разобрать все на схеме из шести диодов. Они могут подключаться несколькими способами, давая нужный результат.

Последовательно

В подобном случае выбираем источник с 12 В напряжения и током 0,3 А. Основное достоинство метода заключено в том, что по всему контуру к потребителям поступает равный ампераж. При этом все элементы испускают одинаковую яркость. Минусом подключения является необходимость при значительном увеличении диодов иметь в наличии источник с большим номинальным напряжением.

Параллельно

В такой ситуации достаточно светодиодного драйвера, выдающего на контактах 6 В. Однако, ток, который потреблять будет схема повысится в два раза до 0,6 А в сравнении с аналогичным последовательным подключением. Минусы заключаются в том, что токи протекающие для каждого участка, физически будут иметь отличия из-за физических параметров диодов. В результате получится небольшая разница в свечении участков.

Последовательно парами

В данных схемах, собранных своими руками, можно воспользоваться помощью драйверов для светодиодов, аналогичных параллельному соединению. При этом установится яркость равная для каждого участка цепи. В схеме имеется существенный минус. Он очевиден, так как при старте из-за небольших отличий в характеристиках какие-то элементы запустятся раньше других. В это время по ним станет поступать ток удвоенного номинала. Производители допускают кратковременное превышение значения, но применять на практике данную схему все же не рекомендуется. Перед тем, как подобрать драйвер для светодиодов, необходимо оценить все риски.

Соединять подобным образом более двух диодов ни в коем случае нельзя, ведь по каким-то из них пойдет чрезвычайно большой ампераж, что приведет к мгновенному выходу их из строя.

В приведенных примерах светодиодный драйвер брался в каждом случае с мощностью в 3,6 Вт. Это значение не влияло на способы подключения. Исходя из реального примера видно, что подбирать источник питания необходимо в процессе приобретения диодов. Вероятность выбора на следующих этапах существенно снижает шансы найти нужный блок.

Классификация элементов

На прилавках можно обнаружить два основных типа драйверов для светодиодов:

  • импульсный тип
  • линейный.

Первые являются приборами, обеспечивающими на выходе каскад импульсов высокой частоты. Последнее поколение их использует принцип широтно-импульсной модуляции. Фактически усредненный параметр силы тока рассчитывается как отношение ширины импульса к их периоду. Параметр определяется коэффициентом заполнения.

Импульсные ориентированы на продуцирование высокочастотных импульсов тока

Линейные на выходе обеспечивают значение от генератора тока. Формируется стабилизация тока, а напряжение будет вариабельным. Все настройки проводятся в плавном режиме без образования электромагнитных высокочастотных помех. Даже при относительно небольшом КПД (около 85%) и простоте конструкции их сфера деятельности ограничивается маломощными лентами или светодиодными лампами.

Линейные для подключения лед-элементов

ШИМ-драйверы являются более широко популярными из-за своих позитивных эксплуатационных характеристики:

  • длительный срок работы;
  • КПД до 95%;
  • минимальные габариты.

Минусом для последних является высокий уровень помех, в отличие от линейных.

Дифференцируются драйверы по наличию или отсутствию гальванической развязки. В первом случае обеспечивается больший КПД, повышенная надежность и достаточная безопасность.

Для подключения к стандартной электросети светодиодов могут использоваться и тот, и другой тип драйверов, но преимущественными являются именно те, где есть гальваническая развязка. Именно она отвечает за безопасную эксплуатацию ламп. Если таковой развязки нет, всегда есть риск поражения током.

Срок эксплуатации

Даже сами производители заявляют о том, что драйвер служит меньше, чем оптика. Если последняя рассчитана на 30 тысяч часов, то выпрямитель в лучшем случае проработает 1000 часов. Связан такой разрыв во времени со следующими обстоятельствами:

  • перепады напряжения в электросети как в большую, так и в меньшую сторону более чем на 5%;
  • разница рабочей температуры в процессе работы;
  • повышенная влажность, если речь идет о таких помещениях;
  • интенсивность – чем больше работает и меньше выключается, тем длительнее срок работы.

Первое, что принимает на себя основной удар — сглаживающий конденсатор, у которых при повышенной влажности, температуре и при скачках напряжения начинает интенсивно испаряться электролит. При его недостатке уровень пульсаций увеличивает, что и приводит к выходу из строя лед-драйвера.

Но самое интересное, что сокращает срок работы неполная загруженность. Если вы купили элемент на 150 ватт, а нагрузка не превышает 70, оставшиеся 80 будут возвращаться в сеть и провоцировать ее перегруз. Всегда правильно выбирайте рабочие элементы, чтобы максимально сопоставить эффективность и реальные условия.

ВИДЕО: Простой источник питания для светодиодов

Alex_EXE » Повышающий LED драйвер MP3202 с током до 1A

Для питания светодиодов необходим токоограничивающий драйвер. Ранее были рассмотрены понижающие драйверы линейные: LM317, MBI1801, импульсный PT4115.


Step-UP LED драйвер MP3202

В этой статье разберем ещё один драйвер — повышающий на MP3202 от китайской компании MPS (MonolithicPower). Ток микросхемы драйвера до 1.3А, входное напряжение 2.5-6В и выходное до 25В.

Характеристики:

типповышающий (step-up)
напряжение питания2.5 — 6В
выходной пиковый ток (ток переключения микросхемы)1.3А
ток покоядо 1мА
0.63мА (замерено с подтягивающим резистором 22K)
выходное напряжениеVin — 25В
частота работы1-1. 5МГц (заявлено)
~100-300КГц (замерено)
напряжение лог 1 вывода enable1.35В, для Vin=5В
минимум 0.8В, для Vin=2.5В
максимальное напряжение на выводе enable6.5В
КПДДо 92%
рабочая температура-40 +85°С
тепловая защита160°С

Драйвер оснащён входом управления, который можно использовать для димирования.

Стоимость микросхемы на площадке taobao составляет 7р или 0.62 юаня, не считая доставки. Стоимость актуальна на 2 апреля 2020 года, курс юаня ~11р.

Распиновка


Распиновка микросхемы, корпус sot23-6

1SWВыход питания, выход силового ключа микросхемы
2GNDПитание, общий
3FBОбратная связь
4INВход питания
5OVВход контроля тока
6ENВход управления (вкл — лог 1), диммирования

Схема

Драйвер имеет простую схему включения. Силовой ключ находится внутри микросхемы. Минимальная обвязка составляет 5 компонентов не считая микросхемы.


Схема

Перечень компонентов

Компоненты
Позиц. Обозначение
Footprint
Количество
Микросхемы
MP3202U1SOT23-61
Полупроводники
MBR0540D1SOD-1231
Резисторы
22KR1RES-06031
1.1R2RES-12061
1.2R3RES-12061
Конденсаторы
4.
7uF 16V		C1Tantal_B1
2.2uF 35VC2CAP-12061
Индуктивности
VLS6045EX-100M 10uHL1Inductor SMD 6.8*6.8*4.51
Соединители
PLS3X1, X3PLS32
PLS2X2PLS21

Основу схемы составляет микросхема U1 MP3202 в корпусе SOT23-6. Диод D1 в приведенной схеме MBR0540 в корпусе SOD-123 рассчитан на ток до 0.5А, для больших токов лучше заменить на 1А, например SS14, обратное напряжение диода должно быть выше максимального переключающего драйвера, т.е. выше 30В и одновременно как можно ниже, что бы уменьшить потери на диоде, оптимальным будет 40В. Индуктивность L1 на 10 мкГн с током в 1.5А в SMD корпусе 6.8*6.8мм. Если управление драйвером не требуется, то резистор R1 10-100К в корпусе 0603 можно на этапе проектирования исключить, подключив вход Enabel к Vin.

Резисторы R2 и R3 токозадающие, рассчитываются по формуле ниже, в схеме на 1.1 и 1.2Ом в корпусе 1206 рассчитаны на 181мА. Напряжение входного конденсатора C1 4.7мкФ минимум 10В, применён чип-тантал типоразмера B. Напряжение выходного конденсатора C2 2.2мкФ 1206 должно быть минимум 35В. Разъёмы X1 и X3 PLS3, X2 PLS2. Печатная плата односторонняя размером 25х25мм. С обратной стороны размещается только одна перемычка и разъёмы, если не получается их разместить с верхней стороны.


Сборочный рисунок


Получившаяся печатная плата

Печатная плата на фото отличается от приведенной в статье, в ходе испытаний было изменено включение резистора R1, что бы без его установки драйвер был включен.

Расчёт тока

Ток подключенных светодиодов рассчитывается по формуле:

для одного токозадающего резистора и для двух:

Примеры расчёта:

I LED (мА)
R2 (Ом)
R3 (Ом)
10. 410
522
1041
1501.31.5
1801.11.2
20811
2430.751
3350.620.62

Осциллограммы

Во время подачи питания на выходе драйвера без нагрузки напряжение подскакивает до 29.4В и в течении 300мс опускается до напряжения питания.


Включение без нагрузки

С подключенными светодиодами напряжение возрастает до их рабочего значения за 100-200мкс.


Включение с 6 светодиодами

Хоть напряжение не поднимается выше напряжения питания светодиодов, выходной конденсатор должен быть установлен на напряжение питания не ниже 35В, т.к. в случае обрыва или выхода из строя светодиода на нём напряжение достигнет 29В, что приведет к выходу из строя конденсатора и может привести к его возгоранию.


Пульсации по выходу

Драйвер переключается с частотой примерно 100-300КГц, в зависимости от установленного тока светодиода и протекающего через них напряжения. Замеренная частота переключения драйвера ниже заявленной 1-1.5МГц, но работе его это не мешает. Частота и уровень пульсаций в норме — мерцание светодиодов не будут заметны глазам и стандартной (не высокоскоростной) фото-видео аппаратуре.

Испытания

Испытание производилось на светодиодах LEMWS59T80J201 S630: 160мА 2.9-3.4В 40lm 3800-4200K; и на китайской COB no-name 3Вт сборке: 300мА 9-11В, 250lm нейтрального цвета.


Тестовые светодиоды

Драйвер питался от блока питания с выставленным напряжением 4.2В (кроме одного измерения), что соответствует заряженной одной банки Li-ion аккумулятора. Входные напряжение и ток измерялись по блоку питания, падения на проводах не учитывал, т.к. токи небольшие. Выходной ток измерялся мультиметром, напряжение и его пульсации осциллографом.

Результаты на COB сборке:

R2+R3 (Ом)
Вход
Выход
КПД (%)
I (мА)U (В)I (мА)U (В)
1.
1		4374.296.69.488.4
1.1+1.2~=0.574804.2176.39.885.7

Результат на светодиодах. Для них токозадающий резистор установлен только на 1.1Ом.

Количество
светодиодов
Вход
Выход
КПД (%)
I (мА)U (В)I (мА)U (В)Пульсации U (мВ)
11642.692411486.3
21754.293.57.215691.6
32594.293. 510.222087.7
43554.29413.230883.2
54584.294.8716.238479.9
65464.2921946476.2
75964.284.421.852073.5
86984.283.224.655269.8
97404.27627.4124067

9 светодиодов с напряжением в 27.4В (у драйвера максимальное заявлено 25В) для этого драйвера будет многовато, это отчетливо видно по пульсациям, к которым добавились дополнительные переходные процессы, что привело к их суммарному существенному росту. Так же драйвер начинает занижать выходной ток, но это скорее всего из-за слабого установленного диода в 0. 5А.

На больших токах и критических режимах микросхему не испытывал, т.к. драйвер закладывал под определенные диоды и так же не предусмотрел дополнительный теплоотвод от выводов микросхемы.

Дополнительно была проверена возможность диммирования по входу Enable.


Проверка входа диммирования

По документации управляющий PWM сигнал для приведенной схемы должен быть до 1КГц. Для частоты 500Гц светодиодный модуль начинает светиться со скважности от 0.4%, для 1КГц от 0.6%. Диммирование работает корректно.

Попробовал подать 21КГц, модуль начинает светиться от 8.7%, для 30КГц от 12.4%, но такое управление будет являться некорректным. Для частот выше 1КГц производителем предлагается другая схема управления.


Схеми диммирования, для частот выше 1КГц

Вывод

Драйвер показывает нормальную работу в своём рабочем диапазоне напряжений до 25В. КПД более 80% для напряжений до 14В и выходном токе до 200мА. На перегрузки и критические режимы тестирования не проводил, т. к. такой задачи не ставил. Хороший вариант для питания светодиодов средней мощности (токами до 350мА, может по более) от 4.2В Li-ion аккумуляторов и 5В USB.

Скачать архив проекта

Содержимое архива:

gerber\
pcb_mp3202.drlсверловка
pcb_mp3202.gblмедь, низ
pcb_mp3202.gbsмаска, низ
pcb_mp3202.gkoконтур
pcb_mp3202.gtlмедь, верх
pcb_mp3202.gtoшелкография, верх
pcb_mp3202.gtsмаска, верх
assembled.pdfсборочный чертеж и принципиальная схема
lut.pdfлут, односторонняя плата
PCB_MP3202.PcbDocPCB, Altium Designer

Параметры gerber файла: единицы измерения мм, точность 3:3, удалены незначащие нули вначале чисел.

Объяснение схемы драйвера светодиода

и доступные решения |

Дни ламп накаливания прошли. В настоящее время светодиодное освещение берет верх, так как оно намного более энергоэффективно. С другой стороны, светодиодные фонари требуют хорошей схемы управления для правильной работы, и это так называемая схема драйвера светодиодов. Светодиоды в основном представляют собой форму диода, который излучает свет при прямом смещении. Диод рассчитан на прямое напряжение 0,3 В или 0,7 В для германия и кремния соответственно. Для светодиодных ламп прямое напряжение выше, чем у диода, и обычно может достигать 2-3,5 В на светодиод. Некоторые светодиоды, для которых указано более высокое напряжение, уже являются комбинацией нескольких светодиодов.

Светодиоды по своей природе являются источниками постоянного тока, но почему светодиоды используются непосредственно вместо ламп накаливания и КЛЛ в розетке переменного тока? Это стало возможным благодаря использованию схемы драйвера светодиодов. Схема драйвера светодиода будет преобразовывать переменный ток в постоянный, уровень которого будет безопасно использоваться светодиодами. Есть несколько доступных решений для схемы драйвера светодиодов. Драйверы светодиодов могут быть линейными или импульсными. Ознакомимся с этими решениями.

В схеме линейного драйвера светодиодов используется линейное устройство для управления током светодиодов. Это схемное решение совершенно неэффективно и ограничено только приложениями малой мощности. Линейный драйвер светодиодов может быть только простым источником напряжения и токоограничивающим резистором; это действительно очень просто, поэтому до сих пор популярное решение для управления светодиодами. Еще одним преимуществом линейного светодиодного драйвера является то, что он может обеспечить очень чистый свет, я имею в виду, что чистый свет заключается в отсутствии эффекта размытия или мерцания.

Простая линейная схема управления светодиодами

Ниже приведена очень простая схема управления светодиодами.

В основном он состоит только из источника постоянного напряжения и ограничительного резистора Rlimit. Однако в этом решении источником напряжения должен быть чистый постоянный или линейный уровень, чтобы установка тока для светодиодов не менялась. В том случае, если ток на светодиодах будет меняться, освещение несколько покажет изменение интенсивности, и это не приятно видеть глазами. Еще одним недостатком изменения тока светодиода является то, что светодиоды могут перегреться и выйти из строя.

В приведенной выше схеме источником напряжения является чистый постоянный ток, а ток светодиода, устанавливаемый ограничительным резистором, составляет 600 мА. Это дает общую мощность светодиода 8,332 Вт . Токоограничивающий резистор рассеивает 3,67 Вт. Общая мощность, подаваемая на схему, составляет 12 Вт , а эффективность составляет всего 69,43%, что очень мало.

Эффективность светодиода = 8,332 Вт / 12 Вт = 69,43%

Линейный регулятор в качестве драйвера светодиода

Вышеприведенный пример очень простой и элементарный подход к управлению светодиодами. В случае переменного источника напряжения можно использовать линейный регулятор. Линейный регулятор способен принимать переменное входное напряжение, сохраняя при этом постоянное выходное напряжение. Это все еще решение управления светодиодами с потерями, но лучше, чем первый подход, с точки зрения стабильности тока светодиодов.

На приведенной ниже схеме показана типичная схема линейного регулятора. VOUT — это узел, к которому прикладывается нагрузка, и она регулируется до уровня напряжения, установленного пользователем. Предположим, что диапазон входного напряжения равен 9-16В, выходное напряжение останется прежним; например 7,5 В на настройку. Когда разница между входом и выходом велика, линейный регулятор рассеивает огромную мощность, чтобы поддерживать регулируемое выходное напряжение. Свойство линейного регулятора поддерживать выходное напряжение делает его популярным для управления светодиодами.

Ниже приведена схема драйвера светодиода с использованием линейного регулятора Linear Technology, LT1083-12. Выход этого регулятора фиксированный 12В. Тем не менее, последовательный резистор необходим для установки безопасного уровня тока для светодиодов. Ток светодиода в этой схеме равен 261,6 мА .

Ток светодиода = (12 В – (3 X 3,128 В)) / 10 Ом = 261,6 мА

Мощность светодиода составляет всего 2,452 Вт .

Индикатор питания = 3 X 3,128 В X 261,6 мА = 2,45 Вт

 

Мощность, рассеиваемая ограничительным резистором, составляет 0,684 Вт.

Ограничительный резистор мощности = (261,6 мА) 2 X 10 Ом = 0,684 Вт

Мощность, рассеиваемая линейным регулятором, равна

 

= (16–12 В) X (261,6 мА + 5 мА) = 1,0664 Вт.

(Ток покоя указан в паспорте регулятора. Это лишь небольшое значение, и в большинстве случаев им можно пренебречь для упрощения расчетов.)

КПД цепи равен

Резистор ограничения мощности + регулятор мощности) = 2,45 Вт / (2,45 Вт + 0,684 Вт + 1,0664 Вт) = 58,33%

 

Эффективность очень низкая, как и в предыдущем решении. КПД еще больше снизится при работе с более высоким входным напряжением.

Специализированный линейный контроллер светодиодов

Существуют специальные линейные ИС, разработанные исключительно для драйверов светодиодов. Однако концепция и анализ со стороны силовой части
такие же, как и в приведенном выше примере.

Преимущество этих ИС заключается в возможности управления несколькими цепочками светодиодов и встроенной защите для коротких и открытых светодиодов. Еще одним преимуществом является включение функции затемнения. Обычный линейный регулятор не имеет функции диммирования.

Одним из примеров такого решения является BD8374HFP-M от ROHM semiconductor. Ниже приведена схема приложения. Это только один канал с возможностью затемнения, защитой от обрыва и короткого замыкания светодиодов, защитой от перенапряжения и перегрева.

Для этого контроллера установка тока светодиода осуществляется с помощью резистора RVIN_F. Этот резистор расположен на входе, в отличие от предыдущих примеров выше, которые расположены последовательно со светодиодами. В этом решении напряжение светодиода будет устанавливать выходное напряжение микросхемы контроллера. При использовании типичного регулятора напряжения выход представляет собой фиксированное напряжение, но здесь выход является переменным в зависимости от общего прямого напряжения светодиода.

Общая мощность светодиода представляет собой просто сумму прямых напряжений светодиода, умноженную на IOUT или ток, установленный резистором R VIN_F . Мощность, рассеиваемая линейной ИС (BD8374HFP-M), представляет собой разницу между входным напряжением и общим падением напряжения на светодиодах, умноженную на установленный выходной ток. С другой стороны, рассеиваемая мощность токозадающего резистора RVIN_F равна просто падению напряжения, умноженному на выходной ток, или квадрату выходного тока, умноженному на сопротивление. Расчет эффективности можно сделать так же, как и в приведенном выше примере.

В драйвере светодиодов с линейным режимом колебания входного напряжения невелики, так как ограничиваются рассеиваемой мощностью линейного контроллера. Потери огромны и в линейном решении. Эти недостатки решаются за счет импульсного типа драйвера светодиодов. Драйвер светодиода с режимом переключения может быть понижающим (понижающим), повышающим (повышающим) или комбинированным (понижающий-повышающий). Импульсный светодиодный драйвер можно использовать непосредственно от универсальной сети переменного тока; скажем 90-264Vrms.

Принцип переключения режимов

Режим переключения означает, что управляющее устройство работает в режиме непрерывного переключения между включением и выключением переключающего устройства, такого как MOSFET или BJT. При включении переключателя в идеале сопротивление равно нулю, поэтому в идеале потери мощности нулевые. С другой стороны, при выключении ток в идеале равен нулю, поэтому потери мощности также нет. Такое поведение делает решение с режимом переключения более эффективным, чем линейное решение. Однако подход с переключением режимов более сложен, чем линейное решение, и будет стоить дороже.

Драйвер светодиодов, производный от понижающего преобразователя

Ниже приведена общая схема силовой части понижающего преобразователя. Понижающий преобразователь представляет собой понижающий преобразователь. Его выход всегда ниже, чем его вход. MOSFET Q1 приводится в насыщение и отключается сигналом ШИМ, чтобы генерировать выходное напряжение. Катушка индуктивности L1 служит накопителем энергии, который заряжается, когда полевой МОП-транзистор Q1 переходит в режим насыщения. Он разряжается, когда MOSFET Q1 отключается.

Конденсатор C1 также служит в качестве резервуара для минимизации колебаний напряжения на выходной шине. Он заряжается, когда Q1 приводится в состояние насыщения, и разряжается, когда Q1 приводится в состояние отсечки. Диод D1 служит в качестве пути для тока индуктора, когда он разряжается, он функционирует только тогда, когда MOSFET Q1 находится в состоянии отсечки.

И МОП-транзистор, и диод проводят только часть периода переключения. Соотношение между входным и выходным напряжением определяется так называемым рабочим циклом. Идеальный рабочий цикл понижающего преобразователя составляет

Рабочий цикл, Buck = Vout / Vin

Пример рабочей схемы драйвера светодиода на основе понижающего преобразователя

Ниже приведена схема драйвера светодиода, основанная на топологии понижающего преобразователя. Это работает очень хорошо в симуляции, так что на самом деле. Управляющее устройство — LT3474 от Linear technology.

Путь питания проходит от IN к внутреннему переключателю U1 (Q1 в универсальном понижающем преобразователе выше), к L1 и C3 (C1 в универсальном понижающем преобразователе выше). D1 является диодом разрядного контура индуктора, как и D1 в общей схеме понижающего преобразователя выше. Схема позволяет широко варьировать входное напряжение в отличие от линейного решения.

Расчеты силовой части этой схемы драйвера такие же, как и для обычного понижающего преобразователя, который мы обсуждали выше. Эта схема драйвера светодиода имеет возможность диммирования ШИМ путем подачи ШИМ-сигнала на вывод ШИМ.

Смоделированный ток светодиода с ШИМ-управлением яркостью:

Как вы можете видеть на приведенной выше осциллограмме, напряжение светодиода, которое является выходным напряжением понижающего преобразователя, меньше входного напряжения, которое составляет 10 В, поскольку понижающий понижающий преобразователь. Ток светодиода модулируется для достижения затемнения.

Драйвер светодиодов на основе повышающего преобразователя

Ниже приведена типичная схема силовой части повышающего преобразователя. Q1 модулируется и работает в режимах насыщения и отсечки в быстрой манере. То же самое с понижающим преобразователем, переключающее устройство будет иметь идеальные нулевые потери, так как во время насыщения в идеале нет сопротивления, а во время отсечки нет тока. Когда Q1 включен, L1 заряжается, а D1 смещается в обратном направлении. Когда Q1 выключится, L1 изменит полярность и сместит D1 вперед, после чего ток достигнет выходного узла. C1 служит резервуаром, так что энергия все еще поступает в нагрузку, когда катушка индуктивности заряжается. Повышающий преобразователь также является управляемым рабочим циклом, его идеальное уравнение рабочего цикла:

Рабочий цикл, форсирование = 1 – (VIN / VOUT)

Пример рабочей схемы драйвера светодиодов на основе форсирования

Ниже приведена схема простого драйвера светодиодов, полученного из повышающего преобразователя.

При использовании повышающего драйвера вход всегда должен быть ниже общего прямого напряжения светодиодов. В этой схеме входное напряжение равно 3, а общее напряжение светодиода составляет 9,64 В на основе моделирования.

Драйвер светодиодов Buck-Boost

Если приложению требуется очень широкий диапазон напряжений, который не может быть обеспечен одним только повышающим или понижающим преобразователем, рассмотрите возможность использования повышающего или повышающего драйвера светодиодов. Примером этого является схема ниже от Linear Technology.

 

Цепь драйвера светодиодов, полученная от сети переменного тока

Решения, которые мы обсуждали выше, относятся ко всем приложениям постоянного тока. Как насчет того, если нам нужен светодиодный светильник, который мы можем напрямую подключить к розетке переменного тока, как коммерческие светодиодные светильники, доступные в настоящее время, что нам делать? В связи с этим нам нужна еще одна схема драйвера светодиодов, подходящая для ACDC. Есть несколько вещей, которые делают это возможным.

Неизолированный драйвер светодиодов ACDC с потерями

Ниже приведена схема простого неизолированного драйвера светодиодов ACDC. Он состоит только из пассивных устройств и стабилитрона и диода. Это экономичное решение, но не эффективное и безопасное в использовании. Будь осторожен.

 

Неизолированный драйвер светодиодов ACDC без потерь

Решение, показанное ниже, по-прежнему не изолировано, так как отсутствует изолирующий трансформатор. Это решение предоставлено Richtek с использованием контроллера RT8402. Однако этот драйвер эффективнее по сравнению с первой схемой выше. Это конкретное решение — доллар



производный драйвер светодиодов AC-DC. Мостовой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, а Q1, D1, L1 и EC1 являются силовой секцией понижающего преобразователя. Это эффективный драйвер, поскольку Q1 работает между насыщением и отсечкой. Тем не менее, будьте осторожны, это решение не является изолированным.

Другое решение от Richtek с использованием контроллера RT8487:

Оба решения обычно используются в коммерческих маломощных и недорогих светодиодных лампах.

  Изолированный драйвер светодиодов ACDC без потерь с использованием топологии обратного хода

Для мощных светодиодных ламп или ламп предпочтительнее схема ниже. Это решение от Richtek с использованием RT7306. Это обратноходовой драйвер светодиодов. Наличие трансформатора обеспечивает изоляцию между линией переменного тока и светодиодами. Нет опасности поражения электрическим током, если вы случайно коснетесь выходной стороны.

Благодаря обратноходовой топологии драйвер может работать в широком диапазоне входных напряжений от 90-264 В переменного тока. Это решение также эффективно при мощности менее 50 Вт. Однако при мощности более 50 Вт КПД может снизиться, но все равно будет достаточно высоким по сравнению с линейным решением.

Простая схема обнаружения снижает нагрузку на драйвер светодиодов благодаря диммированию по сети