Схема стабилизатора тока для светодиодов. Схемы стабилизаторов тока для светодиодов: особенности и принципы работы

alexxlabСхем
Какие существуют схемы стабилизаторов тока для светодиодов. Как работают линейные и импульсные стабилизаторы тока. Какие преимущества и недостатки у разных типов стабилизаторов для светодиодов. Как правильно выбрать и рассчитать стабилизатор тока для светодиодной нагрузки.

Содержание

Особенности питания светодиодов и необходимость стабилизации тока

Светодиоды являются полупроводниковыми приборами с нелинейной вольтамперной характеристикой. Это означает, что даже небольшое изменение напряжения на светодиоде может привести к значительному изменению протекающего через него тока. Такая особенность создает ряд проблем при питании светодиодов:

  • Риск выхода светодиода из строя при превышении максимально допустимого тока
  • Нестабильность яркости свечения при колебаниях напряжения питания
  • Разброс яркости между отдельными светодиодами из-за разброса параметров

Поэтому для обеспечения надежной и стабильной работы светодиодов необходимо использовать специальные схемы стабилизации протекающего через них тока. Рассмотрим основные типы таких стабилизаторов и их особенности.


Линейные стабилизаторы тока для светодиодов

Линейные стабилизаторы являются наиболее простыми схемами для поддержания постоянного тока через светодиоды. Их принцип работы основан на использовании активного элемента (транзистора или микросхемы), который работает в линейном режиме и рассеивает излишнюю мощность в виде тепла.

Простейший линейный стабилизатор на резисторе

Самым простым вариантом является включение токоограничивающего резистора последовательно со светодиодом. Ток через светодиод в этом случае определяется формулой:

I = (Vпит — Vсд) / R

где Vпит — напряжение питания, Vсд — падение напряжения на светодиоде, R — сопротивление резистора.

Основные недостатки такого решения:

  • Низкий КПД из-за рассеивания мощности на резисторе
  • Нестабильность тока при изменении напряжения питания
  • Необходимость подбора резистора при замене светодиода

Стабилизатор на микросхеме LM317

Более совершенным вариантом является использование линейного стабилизатора на основе микросхемы LM317. Эта микросхема поддерживает постоянное падение напряжения 1.25В между выводами OUT и ADJ. Подключив резистор между этими выводами, можно задать стабильный ток через светодиод:


I = 1.25В / R

Преимущества такого решения:

  • Стабильный ток независимо от напряжения питания
  • Простота схемы
  • Возможность регулировки тока

Недостатки:

  • Низкий КПД при большой разнице между входным и выходным напряжением
  • Необходимость теплоотвода при больших токах

Импульсные стабилизаторы тока для светодиодов

Импульсные стабилизаторы обеспечивают более высокий КПД по сравнению с линейными за счет использования ключевого режима работы. Рассмотрим основные типы таких схем.

Понижающий импульсный стабилизатор

Принцип работы понижающего стабилизатора основан на периодическом подключении источника питания к нагрузке через ключ. Среднее значение тока через нагрузку регулируется изменением скважности импульсов управления ключом.

Основные преимущества:

  • Высокий КПД (до 95%)
  • Возможность работы при большой разнице входного и выходного напряжения
  • Малые габариты

Недостатки:

  • Более сложная схема
  • Наличие пульсаций выходного тока
  • Электромагнитные помехи

Повышающий импульсный стабилизатор

Повышающий стабилизатор позволяет получить на выходе напряжение выше входного. Это дает возможность подключать большее количество последовательно соединенных светодиодов.


Особенности повышающих стабилизаторов:

  • Возможность работы от низковольтных источников питания
  • Высокий КПД
  • Сложность схемы
  • Повышенные пульсации выходного тока

Выбор оптимального типа стабилизатора для светодиодов

При выборе схемы стабилизатора тока для светодиодов следует учитывать следующие факторы:

  • Требуемая мощность и ток нагрузки
  • Диапазон входных напряжений
  • Допустимый уровень пульсаций
  • Требования по КПД и тепловыделению
  • Стоимость и сложность реализации

Для маломощных светодиодов (до 1Вт) оптимальным выбором будут простые линейные стабилизаторы. Для мощных светодиодов и светодиодных лент лучше использовать импульсные схемы, обеспечивающие высокий КПД.

Расчет параметров стабилизатора тока для светодиодов

При проектировании стабилизатора тока для светодиодов необходимо выполнить следующие расчеты:

  1. Определить требуемый ток через светодиоды
  2. Рассчитать суммарное падение напряжения на светодиодах
  3. Выбрать тип стабилизатора с учетом входного напряжения
  4. Рассчитать номиналы компонентов схемы
  5. Проверить тепловой режим работы компонентов

Рассмотрим пример расчета линейного стабилизатора на LM317 для питания 3 последовательно соединенных светодиодов током 350 мА:


  1. Ток через светодиоды I = 350 мА
  2. Падение напряжения на светодиодах Uсд = 3 * 3.2В = 9.6В
  3. Входное напряжение Uвх = 12В
  4. Токозадающий резистор R = 1.25В / 0.35А = 3.57 Ом
  5. Мощность рассеивания на LM317: P = (12В — 9.6В) * 0.35А = 0.84 Вт

Таким образом, для данной схемы потребуется резистор мощностью 0.5 Вт и небольшой радиатор для микросхемы LM317.

Практические рекомендации по применению стабилизаторов тока для светодиодов

При разработке и эксплуатации схем стабилизации тока для светодиодов следует учитывать следующие моменты:

  • Обеспечить надежный теплоотвод от мощных светодиодов и элементов стабилизатора
  • Использовать качественные компоненты с запасом по мощности
  • Применять защиту от короткого замыкания и перегрева
  • Минимизировать длину проводников в высокочастотных цепях
  • Использовать сглаживающие фильтры для уменьшения пульсаций

Соблюдение этих рекомендаций позволит создать надежный и эффективный источник питания для светодиодных систем освещения.

Заключение

Стабилизаторы тока являются важным элементом схем питания светодиодов, обеспечивающим их надежную и эффективную работу. Выбор оптимального типа стабилизатора зависит от конкретных требований к системе освещения. Правильный расчет параметров и соблюдение рекомендаций по применению позволяет создавать качественные и долговечные светодиодные осветительные приборы.



Стабилизатор тока для светодиодов

Светодиод – полупроводниковый прибор с нелинейной вольтамперной характеристикой. При незначительном изменении напряжения, ток через него может изменяться в разы. Поэтому для обеспечения надлежащего питания светодиодов требуется стабилизатор тока.

Стабилизатор тока – устройство, которое поддерживает постоянный ток в нагрузке, независимо от падения напряжения на ней. По принципу действия он может быть линейным или импульсным. Линейный стабилизатор регулирует выходные параметры за счет распределения мощности между нагрузкой и своим внутренним сопротивлением, поэтому он менее эффективен, чем импульсный. Последний же использует принцип широтно-импульсной модуляции и отдает в нагрузку ровно столько мощности, сколько нужно. При этом КПД может превышать 90%. Однако импульсный стабилизатор имеет более сложную схему и более высокую стоимость.

Воспользуемся микросхемой LM317. На ее основе может быть построена схема линейного стабилизатора тока. Микросхема LM317 имеет три вывода и выпускается в стандартных корпусах ТО-220, ТО-263, SOT-223 и ТО-252 (D2PAK). Значение дифференциального напряжения между выводами Vout­ и Vin не должно превышать 40 В.

Простейшая схема линейного источника тока на LM317 изображена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Линейный стабилизатор на LM317

Принцип работы заключается в том, что микросхема LM317 поддерживает разность потенциалов между выходом Vout и выводом Adjust на уровне 1,25 В. Получается, что, пренебрегая IAdj (его значение по data sheet не более 100 мкА), значение силы тока через нагрузку, вне зависимости от напряжения на ней, будет определяться как 1,25/R1.

Входное напряжение всегда должно быть по крайней мере на 3 В больше выходного Vout.

Корпус LM317 должен быть закреплен на радиатор, так как даже при 0,7 А и минимальной разнице входного и выходного напряжения, на микросхеме будет рассеиваться мощность 2,1 Вт.

Схема на LM317 очень проста, но очень неэффективна, и на практике может быть применена только для малых токов, в случае, когда по каким-то причинам нельзя использовать импульсный стабилизатор.

Наиболее простой и недорогой импульсный стабилизатор можно построить на основе микросхемы HV9910. Схема приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема импульсного источника тока на HV9910

Схема работает следующим образом:

микросхема HV9910 при подаче питания открывает ключ Q1, через светодиоды и дроссель L1  и резистор Rcs начинает протекать ток. Когда падение напряжения на  Rcs достигает значения 250 мВ, микросхема закрывает ключ и ток под действием энергии запасенной в дросселе начинает течь через диод D1. Далее процесс повторяется циклически, управляемый внутренним генератором, частота которого задается резистором RT.

Схема довольно проста и надежна, работает при значениях входного напряжения от 8 до 450 В. Кроме того, ее можно приспособить к работе от сети, поставив на входе простейший выпрямитель (диодный мост и накопительный конденсатор). Вся необходимая информация для расчета номиналов используемых компонентов приведена в data sheet  производителя.

Существует еще более простая схема питания светодиодов – для этих целей можно использовать полностью интегральный стабилизатор тока (или драйвер). Примером такого драйвера может служить микросхема LDD-XXXH фирмы MeanWell. Под ХХХ зашифровано значение выходного тока, например, исполнение на 350 мА будет иметь наименование LDD-350H. Никаких дополнительных компонентов не требуется – драйвер подключается напрямую к светодиодам.

Входное напряжение от 8 до 56 В, КПД до 97%!

Рисунок 3 – Интегральный драйвер для светодиодов

Стабилизатор тока для светодиодов

Ни для кого не секрет, что светодиодные лампы периодически перегорают, несмотря на продолжительные гарантийные сроки. У таких ламп имеются определенные параметры, требующие обязательной стабилизации. Это сила тока в самой лампе и падение напряжения в питающей сети. Для решения этой проблемы используется стабилизатор тока для светодиодов. Но, не все стабилизаторы могут решить поставленную задачу. Поэтому в некоторых случаях рекомендуется изготавливать стабилизатор своими руками. Прежде чем приступать к этому процессу следует разобраться в назначении, устройстве и принципе работы стабилизатора, чтобы не допустить ошибок при сборке схемы.

Содержание

Назначение стабилизатора

Основной функцией стабилизатора является выравнивание тока, независимо от перепадов напряжения в электрической сети. Всего существует два типа стабилизирующих устройств – линейные и импульсные. В первом случае осуществляется регулировка всех выходных параметров путем распределения мощности между нагрузкой и собственным сопротивлением.

Второй вариант значительно эффективнее, поскольку в этом случае на светодиоды поступает лишь необходимое количество мощности. Действие таких стабилизаторов основано на принципе широтно-импульсной модуляции.

У импульсных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия, составляющий не менее 90%. Однако у них довольно сложная схема и соответственно высокая стоимость по сравнению с приборами линейного типа. Следует отметить, что использование стабилизаторов LM317 допустимо только для линейных схем. Они не могут включаться в цепи с большими значениями токов. Именно поэтому данные устройства наилучшим образом подходят для совместного использования со светодиодами.

Необходимость использования стабилизаторов объясняется особенностями параметров светодиодов. Они отличаются нелинейной вольтамперной характеристикой, когда изменение напряжения на светодиоде приводит к непропорциональному изменению тока. С увеличением напряжения, возрастание тока в самом начале происходит очень медленно, поэтому свечения не наблюдается. Далее, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света с одновременным быстрым возрастанием тока. Если напряжение продолжает увеличиваться, в этом случае происходит еще большее возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода.

Характеристики светодиодов отражают значение порогового напряжения в виде прямого напряжения при номинальном токе. Показатель номинального тока для большинства светодиодов малой мощности составляет 20 мА. Мощные светодиоды требуют более высокого номинального тока, достигающего 350 мА и выше. Они выделяют большое количество тепла и устанавливаются на специальные теплоотводы.

Для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов, питание к ним должно подключаться через стабилизатор тока. Это связано с разбросом порогового напряжения. То есть, различные типы светодиодов отличаются разным прямым напряжением. Даже у однотипных ламп может быть не одинаковое прямое напряжение, причем не только его минимальное, но и максимальное значение.

Таким образом, если подключить параллельно два светодиода к одному и тому же источнику, то они будут пропускать через себя совершенно разный ток. Различие токов приводит к преждевременному выходу их из строя или мгновенному перегоранию. Чтобы избежать подобных ситуаций, светодиоды рекомендуется включать совместно со стабилизирующими устройствами, предназначенные для выравнивания тока и доведения его до определенной, заданной величины.

Стабилизирующие устройства линейного типа

С помощью стабилизатора выполняется установка тока, проходящего через светодиод, с заданным значением, не зависящим от напряжения, приложенного к схеме. Если напряжение превысит пороговый уровень, ток все равно останется прежним и не будет изменяться. В дальнейшем, когда общее напряжение увеличится, его рост произойдет лишь на стабилизаторе тока, а на светодиоде оно останется неизменным.

Таким образом, при неизменных параметрах светодиода, стабилизатор тока может называться стабилизатором его мощности. Распределение активной мощности, выделяемой устройством в виде тепла, происходит между стабилизатором и светодиодом пропорционально напряжению на каждом из них. Данный тип стабилизатора получил название линейного.

Нагрев линейного стабилизатора тока возрастает вместе с ростом приложенного к нему напряжения. Это является его основным недостатком. Тем не менее, это устройство обладает рядом преимуществ. Во время работы отсутствуют электромагнитные помехи. Конструкция очень простая, что делает изделие достаточно дешевым в большинстве схем.

Существуют такие области применения, в которых линейный стабилизатор тока для светодиодов на 12 В становится более эффективным, по сравнению с импульсным преобразователем, особенно когда напряжение на входе лишь незначительно выше напряжения на светодиоде. Если питание осуществляется от сети, в схеме может использоваться трансформатор, к выходу которого подключается линейный стабилизатор.

Таким образом, вначале напряжение снижается до такого же уровня, как и в светодиоде, после чего линейный стабилизатор устанавливает необходимое значение тока. Другой вариант предполагает приближение напряжения светодиода к питающему напряжению. С этой целью выполняется последовательное соединение светодиодов в общую цепочку. В результате, общее напряжение в цепи составит сумму напряжений каждого светодиода.

Некоторые стабилизаторы тока могут быть выполнены на полевом транзисторе, с использованием р-п-перехода. Ток стока устанавливается с помощью напряжения затвор-исток. Ток, проходящий через транзистор, такой же, как и начальный ток стока, указанный в технической документации. Значение минимального рабочего напряжения такого устройства зависит от транзистора и составляет порядка 3 В.

Импульсные стабилизаторы тока

К более экономичным устройствам относятся стабилизаторы тока, основой которых является импульсный преобразователь. Данный элемент известен еще, как ключевой преобразователь или конвертер. Внутри преобразователя мощность прокачивается определенными порциями в виде импульсов, что и определило его название. В нормально работающем устройстве потребление мощности происходит непрерывно. Она непрерывно передается между входной и выходной цепями и также непрерывно поступает в нагрузку.

В электрических схемах стабилизатор тока и напряжения на основе импульсных преобразователей имеет практически одинаковый принцип действия. Единственным отличием является контроль над током через нагрузку, вместо напряжения на нагрузке. Если ток в нагрузке снижается, стабилизатор осуществляет подкачку мощности. В случае увеличения – выполняется снижение мощности. Это позволяет создавать стабилизаторы тока для мощных светодиодов.

В наиболее распространенных схемах дополнительно имеется реактивный элемент, называемый дросселем. От входной цепи на него определенными порциями поступает энергия, которая в дальнейшем передается на нагрузку. Такая передача происходит через коммутатор или ключ, находящийся в двух основных состояниях – выключенном и включенном. В первом случае ток не проходит, а мощность не выделяется.

Во втором случае ключ проводит ток, обладая при этом очень малым сопротивлением. Поэтому выделяемая мощность также близка нулю. Таким образом, передача энергии происходит практически без потерь мощности. Однако импульсный ток считается нестабильным и для его стабилизации используются специальные фильтры.

Наряду с явными преимуществами, импульсный преобразователь обладает серьезными недостатками, устранение которых требует специфических конструктивных и технических решений. Эти устройства отличаются сложностью конструкции, они создают электромагнитные и электрические помехи. Они затрачивают определенное количество энергии для собственной работы и в результате нагреваются. Их стоимость существенно выше, чем у линейных стабилизаторов и трансформаторных устройств.

Тем не менее, большинство недостатков успешно преодолеваются, поэтому импульсные стабилизаторы пользуются широкой популярностью у потребителей.

Драйвер питания светодиодов

Какой стабилизатор напряжения лучше купить — ТОП лучших для дома, дачи, котла, холодильника в 2023 году

Мультиметр: назначение, виды, обозначение, маркировка, что можно измерить мультиметром

Стабилизатор напряжения для телевизора — нужен ли и как его выбрать

Линейный стабилизатор тока

Выключатель с подсветкой: установка, подключение, схема

Чем отличается фазное напряжение или ток, от линейного

Высокоэффективный преобразователь тока для светодиодов высокой яркости