Цепи мощных светодиодных драйверов: 12 шагов (с изображениями)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Мощные светодиоды: будущее освещения!

но… как вы их используете? где их взять? 1-ваттные и 3-ваттные светодиоды Power теперь широко доступны по цене от 3 до 5 долларов, поэтому в последнее время я работал над рядом проектов, в которых они используются. в процессе меня беспокоило, что единственные варианты, о которых кто-либо говорит для управления светодиодами, это: (1) резистор или (2) действительно дорогая электронная штуковина. Теперь, когда светодиоды стоят 3 доллара, кажется неправильным платить 20 долларов за устройство, которое ими управляет! Поэтому я вернулся к своей книге «Аналоговые схемы 101» и вычислил пару простых схем для питания светодиодов, которые стоят всего 1 или 2 доллара. Это руководство даст вам представление обо всех различных типах цепей для питания больших светодиодов, от резисторов до импульсных источников питания, с некоторыми советами по каждому из них, и, конечно же, подробно расскажет о моем новом простом источнике питания. Схемы светодиодных драйверов и когда / как их использовать (и у меня есть еще 3 инструкции, которые используют эти схемы). Некоторая из этой информации оказывается очень полезной и для маленьких светодиодов, вот и другие мои инструкции по питанию светодиодов, ознакомьтесь с ними, чтобы узнать о других примечаниях и идеях. Эта статья представлена вам MonkeyLectric и велосипедным фонарем Monkey Light.

Шаг 1: Обзор / Детали

Есть несколько распространенных методов питания светодиодов. К чему такая суета? Это сводится к следующему: 1) светодиоды очень чувствительны к напряжению, используемому для их питания (т. Е. Ток сильно меняется с небольшим изменением напряжения) 2) требуемое напряжение немного изменяется, когда светодиод помещается в горячий или холодный воздух, а также в зависимости от цвета светодиода и деталей производства. Итак, есть несколько распространенных способов питания светодиодов, и я рассмотрю каждый из них в следующих шагах.

В этом проекте показано несколько схем для управления светодиодами. для каждой схемы я отметил на соответствующем этапе необходимые детали, включая номера деталей, которые вы можете найти на www.digikey.com. Чтобы избежать дублирования контента, в этом проекте обсуждаются только конкретные схемы и их плюсы и минусы. Чтобы узнать больше о методах сборки и узнать номера деталей светодиодов и где их можно получить (и другие темы), обратитесь к одному из моих других проектов светодиодов питания.

Шаг 2. Данные о производительности светодиода - удобная справочная таблица

Ниже приведены некоторые основные параметры светодиодов Luxeon, которые вы будете использовать во многих схемах. Я использую цифры из этой таблицы в нескольких проектах, поэтому здесь я просто помещаю их все в одно место, на которое я могу легко ссылаться. Luxeon 1 и 3 без тока (точка выключения): белый / синий / зеленый / голубой: падение 2,4 В (= «прямое напряжение светодиода») красный / оранжевый / желтый: падение 1,8 В Luxeon-1 с током 300 мА: белый / синий / зеленый / голубой: падение 3,3 В (= «прямое напряжение светодиода») красный / оранжевый / желтый: падение 2,7 В; Luxeon-1 с током 800 мА (сверх спецификации): все цвета: падение с 3,8 В; Luxeon-3 с током 300 мА: белый / синий / зеленый / голубой: падение 3,3 В; красный / оранжевый / желтый: падение 2,5 В; Luxeon-3 с Ток 800 мА: белый / синий / зеленый / голубой: падение 3,8 В красный / оранжевый / желтый: падение 3,0 В (примечание: мои тесты не соответствуют спецификации) Luxeon-3 с током 1200 мА: красный / оранжевый / желтый: падение 3,3 В (примечание: мои тесты не согласуются со спецификацией) Типичные значения для обычных "маленьких" светодиодов с током 20 мА: красный / оранжевый / желтый: падение 2,0 В зеленый / голубой / синий / фиолетовый / белый: падение 3,5 В

Шаг 3: Прямое питание

Почему бы просто не подключить аккумулятор прямо к светодиоду? Это кажется таким простым! В чем проблема? Смогу ли я когда-нибудь это сделать? Проблема в надежности, последовательности и надежности. Как уже упоминалось, ток через светодиод очень чувствителен к небольшим изменениям напряжения на светодиоде, а также к температуре окружающей среды светодиода, а также к отклонениям при изготовлении светодиода. Поэтому, когда вы просто подключаете свой светодиод к батарее, вы мало знаете, сколько тока проходит через него. "ну и что, засветилось, не так ли?". да конечно. В зависимости от батареи, у вас может быть слишком большой ток (светодиод очень сильно нагревается и быстро перегорает) или слишком низкий (светодиод тусклый). другая проблема заключается в том, что даже если светодиод находится в правильном положении при первом подключении, если вы перенесете его в новую среду, более горячую или холодную, он станет тусклым или слишком ярким и перегорит, потому что светодиод очень сильно нагревается. чувствительный. производственные вариации также могут вызывать вариативность. Так что, может быть, вы все это читаете и думаете: «Ну и что!». если да, то паши вперед и подключайся прямо к аккумулятору. для некоторых приложений это может быть подходящим вариантом. - Резюме: используйте это только для взлома, не ожидайте, что он будет надежным или последовательным, и ожидайте, что по пути сгорят некоторые светодиоды. - Один известный хакер, который использует этот метод исключительно хорошее использование - это LED Throwie. Примечания: - если вы используете батарею, этот метод будет работать лучше всего с * маленькими * батареями, потому что маленькая батарея действует так, как будто в ней есть внутренний резистор. это одна из причин, по которой светодиодный Throwie работает так хорошо. - если вы действительно хотите сделать это с помощью светодиода питания, а не 3-центового светодиода, выберите напряжение батареи, чтобы светодиод не работал на полную мощность. это еще одна причина, по которой светодиодный Throwie работает так хорошо.

Шаг 4: скромный резистор

Это, безусловно, наиболее широко используемый метод питания светодиодов. Просто подключите резистор последовательно к светодиоду (-ам). Плюсы: - это самый простой метод, который надежно работает - имеет только одну деталь - стоит копейки (на самом деле, меньше копейки по количеству). Минусы: - не очень эффективен. Вы должны найти компромисс между потраченной впустую мощностью и стабильной и надежной яркостью светодиодов. если вы тратите меньше энергии на резистор, вы получите менее стабильную работу светодиода. - необходимо заменить резистор, чтобы изменить яркость светодиода - если вы значительно измените источник питания или напряжение батареи, вам нужно снова заменить резистор.

Как это сделать: существует множество отличных веб-страниц, объясняющих этот метод. Обычно вы хотите выяснить: - какое значение резистора использовать - как подключить светодиоды последовательно или параллельно? Я обнаружил два хороших "светодиодных калькулятора", которые позволят вам просто ввести спецификации ваших светодиодов и источника питания, и они будут спроектируйте для вас полную последовательную / параллельную схему и резисторы! https://led.linear1.org/led.wizh На калькуляторах используйте справочную таблицу Power LED Data Handy Reference Chart для значений тока и напряжения, которые калькулятор просит вас. Если вы используете резисторный метод с мощными светодиодами, вы быстро захотите получить много дешевых силовых резисторов! Вот несколько дешевых от digikey: "Yageo SQP500JB" - серия резисторов на 5 Вт.

Шаг 5: регуляторы $ witching

Импульсные регуляторы, также известные как «DC-to-DC», «понижающие» или «повышающие» преобразователи, представляют собой причудливый способ питания светодиода. они все это делают, но они дорогие. что именно они «делают»? импульсный стабилизатор может понижать («понижать») или повышать («повышать») входное напряжение источника питания до точного значения, необходимого для питания светодиодов. в отличие от резистора, он постоянно контролирует ток светодиода и адаптируется, чтобы поддерживать его постоянным. Все это достигается с энергоэффективностью 80-95%, вне зависимости от того, насколько велико понижение или повышение. Плюсы: - стабильная производительность светодиодов для широкого диапазона светодиодов и источников питания - высокая эффективность, обычно 80-90%. для повышающих преобразователей и 90-95% для понижающих преобразователей - могут питать светодиоды от источников как с более низким, так и с более высоким напряжением (повышающим или понижающим) - некоторые блоки могут регулировать яркость светодиодов - блоки, предназначенные для питания, доступны и просты Минусы: - сложные и дорогие: обычно около 20 долларов за упакованный блок. - Изготовление собственного требует нескольких деталей и навыков электротехники.

Одно из готовых устройств, разработанное специально для светодиодов с питанием, - это Buckpuck от LED Dynamics. Я использовал один из них в своем проекте налобных фонарей с электроприводом и был им вполне доволен. эти устройства доступны в большинстве интернет-магазинов светодиодов.

Шаг 6: Новый материал !! Источник постоянного тока №1

Давайте перейдем к новому! Первый набор схем представляет собой небольшие вариации сверхпростого источника постоянного тока. Плюсы: - стабильная производительность светодиода с любым источником питания и светодиодами - стоит около 1 доллара - всего 4 простых элемента для подключения - КПД может быть более 90% (при правильном выборе светодиода и источника питания) - без проблем выдерживает БОЛЬШОЙ мощности, 20 А или более. - низкое падение напряжения - входное напряжение может быть всего на 0,6 В выше выходного напряжения.- сверхширокий рабочий диапазон: входное напряжение от 3 В до 60 В. Минусы: - необходимо заменить резистор для изменения яркости светодиода - при неправильной настройке он может тратить столько же энергии, как и метод резистора - вы должны собрать его самостоятельно (о, подождите, это должно быть `` профи ''). - ограничение тока немного меняется в зависимости от температуры окружающей среды (также может быть `` профи ''). Итак, подводя итог: эта схема работает так же хорошо, как понижающий импульсный стабилизатор, единственная разница в том, что что это не гарантирует 90% эффективности. с другой стороны, это стоит всего 1 доллар.

Сначала простейшая версия: "Недорогой источник постоянного тока №1" Эта схема представлена в моем простом проекте с силовым светом. Как она работает? - Q2 (силовой NFET) используется в качестве переменного резистора. Q2 запускается включенным резистором R1. - Q1 (небольшой NPN) используется как датчик перегрузки по току, а R3 - это «чувствительный резистор» или «резистор настройки», который запускает Q1, когда протекает слишком большой ток. основной ток проходит через светодиоды, через Q2 и через R3. Когда через R3 протекает слишком большой ток, Q1 начинает включаться, что начинает отключать Q2. Выключение Q2 уменьшает ток через светодиоды и R3. Поэтому мы создали «петлю обратной связи», которая постоянно отслеживает ток светодиода и постоянно поддерживает его точно на заданном уровне. транзисторы умны, да! - R1 имеет высокое сопротивление, так что, когда Q1 начинает включаться, он легко подавляет R1.- В результате Q2 действует как резистор, и его сопротивление всегда идеально настроено для поддержания правильного тока светодиода. Любая избыточная мощность сжигается во втором квартале. Таким образом, для максимальной эффективности мы хотим настроить нашу светодиодную цепочку так, чтобы она была близка к напряжению источника питания. Если мы этого не сделаем, все будет нормально, мы просто потратим энергию впустую. это действительно единственный недостаток этой схемы по сравнению с понижающим импульсным стабилизатором! установка тока! значение R3 определяет установленный ток. Расчеты: - ток светодиода примерно равен: 0,5 / R3 - мощность R3: мощность рассеиваемая резистором примерно: 0,25 / R3. выберите номинал резистора, по крайней мере, в 2 раза превышающий расчетную мощность, чтобы резистор не нагрелся. поэтому для тока светодиода 700 мА: R3 = 0,5 / 0,7 = 0,71 Ом. ближайший стандартный резистор 0,75 Ом. мощность R3 = 0,25 / 0,71 = 0,35 Вт. нам понадобится резистор номиналом не менее 1/2 Вт. Используемые детали: R1: маленький (1/4 Вт) резистор примерно 100 кОм (например, серия Yageo CFR-25JB) R3: большой (1 Вт +) набор тока резистор. (Хороший 2-ваттный выбор: серия Panasonic ERX-2SJR) Q2: большой (корпус TO-220) N-канальный полевой транзистор логического уровня (например, Fairchild FQP50N06L) Q1: маленький (корпус TO-92) NPN-транзистор (например: Fairchild 2N5088BU) Максимальные пределы: единственное реальное ограничение для цепи источника тока налагается NFET Q2. Q2 ограничивает схему двумя способами: 1) рассеиваемая мощность. Q2 действует как переменный резистор, понижая напряжение источника питания в соответствии с потребностями светодиодов. поэтому Q2 понадобится радиатор, если есть высокий ток светодиода или если напряжение источника питания намного выше, чем напряжение цепочки светодиодов. (Мощность Q2 = падение напряжения * ток светодиода). Q2 может обрабатывать только 2/3 Вт, прежде чем вам понадобится какой-то радиатор. с большим радиатором, эта схема может выдерживать БОЛЬШУЮ мощность и ток - вероятно, 50 Вт и 20 ампер с этим конкретным транзистором, но вы можете просто подключить несколько транзисторов параллельно для увеличения мощности. 2) напряжение. вывод «G» на Q2 рассчитан только на 20 В, и с этой простейшей схемой, которая ограничивает входное напряжение до 20 В (допустим, 18 В для безопасности). Если вы используете другой NFET, обязательно проверьте рейтинг «Vgs». Тепловая чувствительность: текущая уставка в некоторой степени чувствительна к температуре. это потому, что Q1 является триггером, а Q1 термочувствителен. указанный выше номер i является одним из наименее термочувствительных NPN, которые я смог найти. даже в этом случае, можно ожидать, что текущая уставка снизится на 30% при переходе от -20 ° C до + 100 ° C. Это может быть желаемым эффектом, это может спасти ваш Q2 или светодиоды от перегрева.

Шаг 7: Настройки источника постоянного тока: №2 и №3

эти незначительные изменения в цепи №1 направлены на ограничение напряжения первой цепи. если мы хотим использовать источник питания более 20В, нам нужно поддерживать напряжение на затворе NFET (вывод G) ниже 20В. оказывается, мы также хотим сделать это, чтобы связать эту схему с микроконтроллером или компьютером.

в схеме № 2 я добавил R2, а в № 3 я заменил R2 на Z1, стабилитрон. Схема №3 - лучшая, но я включил №2, так как это быстрый взлом, если у вас нет правильного значения стабилитрона. мы хотим установить напряжение G-pin примерно на 5 вольт - используйте стабилитрон на 4,7 или 5,1 вольт (например, 1N4732A или 1N4733A) - любое меньшее значение, и Q2 не сможет включиться полностью, больше и он не работает с большинством микроконтроллеров. Если ваше входное напряжение ниже 10 В, переключите R1 на резистор 22 кОм, стабилитрон не будет работать, если через него не проходит 10 мкА. после этой модификации схема будет обрабатывать 60 В с перечисленными частями, и вы можете легко найти Q2 с более высоким напряжением, если это необходимо.

Шаг 8: немного микро - все решает

Что теперь? подключитесь к микроконтроллеру, ШИМ или компьютеру! Теперь у вас есть полностью цифровой управляемый мощный светодиодный индикатор. Выходные контакты микроконтроллера обычно рассчитаны только на 5,5 В, поэтому стабилитрон важен. если ваш микроконтроллер составляет 3,3 В или меньше, вам нужно использовать схему № 4 и установить выходной контакт микроконтроллера как «открытый коллектор», что позволяет микроконтроллеру опускать контакт, но позволяет резистору R1 вытаскивать его до 5 В, что необходимо для полного включения Q2. если ваш микроконтроллер составляет 5 В, вы можете использовать более простую схему № 5, покончив с Z1, и установить выходной контакт микроконтроллера в нормальный режим повышения / понижения - Микро 5V может сам по себе включить Q2. Теперь, когда у вас есть ШИМ или микроконтроллер, как сделать цифровое управление освещением? Чтобы изменить яркость вашего света, вы "ШИМ" его: вы быстро мигаете и выключаете (200 Гц - хорошая скорость) и меняете соотношение времени включения и времени выключения. это можно сделать с помощью всего лишь несколько строк кода в микроконтроллере. чтобы сделать это, используя только микросхему «555», попробуйте эту схему. чтобы использовать эту схему, избавьтесь от M1, D3 и R2, и их Q1 будет нашим Q2.

Шаг 9: Другой метод затемнения

хорошо, может ты не хочешь использовать микроконтроллер? вот еще одна простая модификация по "схеме №1"

Самый простой способ уменьшить яркость светодиодов - изменить текущую уставку. так что будем менять R3! Как показано ниже, я добавил R4 и переключатель параллельно с R3. Таким образом, при разомкнутом переключателе ток устанавливается R3, при замкнутом переключателе ток устанавливается новым значением R3 параллельно с R4 - больше тока. Итак, теперь у нас есть «высокая мощность» и «низкая мощность» - идеально подходящие для фонарика. может быть, вы хотите поставить на R3 шкалу переменного резистора? К сожалению, они не делают их с таким низким значением сопротивления, поэтому для этого нам нужно что-то посложнее. (см. схему №1, чтобы узнать, как выбрать значения компонентов)

Шаг 10: аналоговый регулируемый драйвер

Эта схема позволяет настраивать яркость, но без использования микроконтроллера. Это полностью аналог! он стоит немного дороже - около 2 долларов или 2,50 доллара всего - надеюсь, вы не будете возражать. Главное отличие в том, что NFET заменен регулятором напряжения. регулятор напряжения понижает входное напряжение так же, как это делал NFET, но он спроектирован так, что его выходное напряжение устанавливается соотношением между двумя резисторами (R2 + R4 и R1). Схема ограничения тока работает таким же образом. как и раньше, в этом случае он уменьшает сопротивление на R2, уменьшая выход регулятора напряжения. Эта схема позволяет вам устанавливать напряжение на светодиодах на любое значение с помощью шкалы или ползунка, но также ограничивает ток светодиода, как и раньше, поэтому Вы не можете повернуть циферблат за безопасную точку. Я использовал эту схему в моем проекте освещения комнаты / точечного освещения с цветовым управлением RGB. Пожалуйста, посмотрите приведенный выше проект, чтобы узнать номера деталей и выбор номинала резистора. Эта схема может работать с входным напряжением от 5 В. до 28В и током до 5 ампер (с радиатором на регуляторе)

Шаг 11: * еще более простой * источник тока

ок, оказывается, есть еще более простой способ сделать источник постоянного тока. Причина, по которой я не поставил его на первое место, заключается в том, что у него тоже есть по крайней мере один существенный недостаток.

В нем не используется транзистор NFET или NPN, он имеет только один регулятор напряжения. По сравнению с предыдущим «простым источником тока», использующим два транзистора, эта схема имеет: - еще меньше деталей. - гораздо более высокое «падение» 2,4 В, что значительно снизит КПД при питании только 1 светодиода. если вы запитываете цепочку из 5 светодиодов, возможно, не такая уж и большая проблема. - отсутствие изменения уставки тока при изменении температуры - меньшая токовая нагрузка (5 ампер - все еще достаточно для большого количества светодиодов)

как пользоваться: резистор R3 устанавливает ток. формула: ток светодиода в амперах = 1,25 / R3, поэтому для тока 550 мА установите R3 на 2,2 Ом, как правило, вам понадобится силовой резистор, мощность R3 в ваттах = 1,56 / R3 эта схема также имеет недостаток, заключающийся в том, что единственный способ использовать его с микроконтроллером или ШИМ - включать и выключать все это с помощью силового полевого транзистора. и единственный способ изменить яркость светодиода - это изменить R3, поэтому обратитесь к предыдущей схеме для «схемы № 5», которая показывает добавление переключателя низкой / высокой мощности. Распиновка регулятора: ADJ = контакт 1 OUT = контакт 2 IN = части контакта 3: регулятор: конденсатор LD1585CV или LM1084IT-ADJ: конденсатор от 10u до 100u, 6,3 вольт или больше (например, Panasonic ECA-1VHG470); резистор: минимум 2 Вт (например, серия Panasonic ERX-2J) вы можете построить его практически с любым линейным стабилизатором напряжения, два из перечисленных имеют хорошие общие характеристики и цену. классический LM317 стоит дешево, но падение напряжения еще больше - всего 3,5 вольта в этом режиме. В настоящее время существует множество регуляторов для поверхностного монтажа со сверхмалым падением напряжения для работы с низким током, и если вам нужно запитать 1 светодиод от батареи, на них стоит обратить внимание.

Шаг 12: Ха-ха! Есть еще более простой способ

Мне стыдно сказать, что я сам не придумал об этом методе, я узнал об этом, когда разбирал фонарик, внутри которого был светодиод высокой яркости.

-------------- Поместите резистор PTC (он же «самовосстанавливающийся предохранитель PTC») последовательно со светодиодом. Вот это да.легче не бывает. -------------- Ok. Несмотря на свою простоту, этот метод имеет некоторые недостатки: - Управляющее напряжение может быть лишь немного выше, чем напряжение включения светодиода. Это связано с тем, что предохранители PTC не предназначены для отвода большого количества тепла, поэтому вам необходимо поддерживать достаточно низкое падение напряжения на PTC. вы можете приклеить свой ptc к металлической пластине, чтобы немного помочь. - Вы не сможете управлять своим светодиодом на максимальной мощности. Предохранители PTC не имеют очень точного значения тока отключения. Обычно они отличаются в 2 раза от номинальной точки срабатывания. Итак, если у вас есть светодиод, которому требуется 500 мА, и вы получаете PTC с номиналом 500 мА, вы получите от 500 до 1000 мА - небезопасно для светодиода. Единственный безопасный выбор PTC немного занижен. Возьмите PTC на 250 мА, тогда ваш худший случай - 500 мА, с которыми светодиод может справиться. ----------------- Пример: для одного светодиода с номинальным напряжением около 3,4 В и током 500 мА. Подключите последовательно с PTC номиналом около 250 мА. Управляющее напряжение должно быть около 4,0 В.