Главная > Analog circuits > Вопросы подключения мощных светодиодов

Вопросы подключения мощных светодиодов

Предисловие.

Когда-то давно я писал статью про подключение мощных светодиодов для одного сайта, который так и умер, не родившись — статья осталась лежать в столе. Несколько позже я писал длинный пост на Радиокоте, посвященный этой же теме. А недавно в обсуждении (EE) статьи про мой дачный фонарь прозвучала просьба пояснить, для чего все эти пляски с импульсными драйверами и отчего бы не использовать резистор. В ответ я обещал посвятить этому статью. Сим я выполняю это обещание, а заодно и утилизирую накопившийся в столе материал, скомбинировав и переработав его. Dixi.

Идемте верным путем, товарищи!

В наши дни каждый прогрессивный человек знает, что светодиоды — будущее освещения. У них огромный по современным меркам световой КПД, малые габариты, малое рабочее напряжение… Одним словом, идеальный источник света. Единственное, что смущает, это их цены. Однако, уже довольно давно в продаже есть одноваттные светодиоды, которые, на мой взгляд, являют собой оптимальное соотношение цена/характеристики, что позволяет с уверенностью говорить о целесообразности их применения для освещения уже сегодня.

Помимо же осознания важности светодиодов для народного хозяйства, прогрессивного человека сегодняшнего дня также отличает осознание того факта, что светодиод — прибор токовый. А это означает, что перед тем, как наслаждаться осознанием своей прогрессивности, созерцая свет сих приборов будущего, мы неизбежно должны построить стабилизатор тока. Однако перед тем, как заняться этим достойным делом, я хотел бы сделать небольшое отступление, предназначенное для заблудших, доныне не познавших светодиодное дао, и упорно пытающихся подключать оные кристаллы к разнообразным источникам напряжения.

Почему не батарейка?

В принципе, теоретически, если мы определили напряжение на конкретном светодиоде при нужном токе, и потом поддерживаем его с высокой точностью, все вроде должно быть хорошо, и вроде как светодиод при таких условиях должен нормально работать от источника напряжения. Отлично. А теперь давайте подогреем сей кристалл градусов этак на пятнадцать (а если кристалл мощный, так он и сам нагреется, без нашей помощи). Или охладим. Или просто подождем, пока он постареет. Все эти факторы оказывают влияние на рабочее напряжение. Что будет? Если мы его нагреем, то рабочее напряжение диода упадет (ибо упадет сопротивление, полупроводник все же). Однако источник будет стараться держать напряжение на диоде стабильным, поднимая ток по экспоненциальной ВАХ диода. Очевидно, что в этом случае кристалл будет еще сильнее разогреваться от проходящего тока, его сопротивление будет еще больше падать, ток будет расти еще больше, и светодиод сгорит.

Потому светодиод прежде всего требует поддержания стабильного рабочего тока.

Выбираем источник тока.

Первое, что приходит в голову — включить последовательно со светодиодом резистор. Однако давайте посмотрим, чем нам это грозит.

Да, совсем забыл сказать — если мы хотим подключить несколько светодиодов к одному источнику, разумно включать их последовательно, ибо, как уже говорилось, светодиод — токовый прибор. Поэтому, включая несколько одинаковых светодиодов, мы должны включать их так, чтобы обеспечить одинаковость тока. А это возможно именно при последовательном подключении (при условии, что максимальное напряжение, которое может выдать наш источник, больше суммы падений на диодах). В противном случае нам придется делать отдельный стабилизатор тока для каждого светодиода, поскольку, если запараллелить их напрямую, то из-за разности рабочих сопротивлений токи неизбежно будут отличаться, что в перспективе также может привести к перегреву и выходу из строя сначала одного, а потом и всех диодов по очереди, поскольку с выгоранием очередного диода ток через оставшиеся будет расти, провоцируя еще более скорый выход последующих из строя.

Так вот, давайте посчитаем. Светодиод у нас потребляет ток I при среднем напряжении на нем Uпр. Тогда резистор должен принимать на себя оставшиеся Uпит.-Uпр. вольт (где Uпит. — напряжение питания). Соответственно, сопротивление резистора можно сосчитать по закону Ома:

R=(Uпит. — Uпр.)/I

При этом мощность, на нем рассеиваемая, будет равна

P=I2R

Вроде бы ничего страшного, более того, для маломощных светодиодов такой подход можно считать правильным, поскольку при напряжениях питания, существенно превосходящих среднее прямое падение на диоде и малых токах (20 — 50мА) номинал резистора получается достаточно большим для того, чтобы пристойно стабилизировать ток через диод. Происходит это следующим образом: при нагреве диода ток, как уже было выяснено, пытается вырасти, а вместе с ним растет и напряжение, которое падает на резисторе; т.о., напряжение на диоде опускается до нового, соответствующего новым условям.

Однако давайте попробуем посчитать потери на резисторе исходя из того, что мы собираемся подключать не какой-нибудь 5мм светодиод, а хороший такой одноваттный Luxeon. Обычный рабочий ток одноваттного светодиода — 350мА, среднее падение на нем примем равным 3.5В. Тогда при 12В источнике питания мощность, рассеиваемая на резисторе, составит 3 Ватта! При том, что сам светодиод у нас потребляет один Ватт! Таким образом, почти полностью теряется преимущество светодиода в КПД. Кроме того, это решение страдает еще рядом недостатков. Во-первых, невозможно заранее точно расчитать сопротивление резистора. Говоря про падение напряжения, я не случайно сказал что беру «среднее», ибо, как уже было не раз сказано, нормируется только рабочий ток, а напряжение на каждом отдельном светодиоде свое. При этом во время работы оно может изменяться в довольно широких пределах, в частности, из-за нагрева светодиода, изменения погоды на Марсе и ряду других причин. Однако, оно явно входит в формулу расчета резистора. Поэтому заранее точно рассчитать сопротивление невозможно. Во вторых, при подключении светодиода через резистор ток будет зависить от напряжения на входе. И нам потребуется стабилизировать еще и напряжение, при этом мы будем еще сильнее проигрывать в КПД. И, наконец, в-третьих, очевидно, что, чем мощнее диод, тем меньший номинал резистора для него потребуется. Но из вышесказанного также очевидно, что стабилизирующая способность резистора напрямую зависит от его номинала, причем прямо пропорционально. Одним словом, очевидно, что питать мощные диоды через резистор крайне нежелательно.

Как же быть?

Посмотрим теперь, как можно исправить перечисленные недостатки. Мощность, выделяющуюся на резисторе, можно сократить, уменьшая падение напряжения на нем. Этого можно добиться, подбирая количество включенных последовательно с ним светодиодов таким образом, чтобы максимально приблизить суммарное падение напряжения на них к напряжению источника питания. Тем не менее, ясно, что это пройдет только с маломощными диодами, которые не слишком чувствительны к стабильности тока. А вот от остальных недостатков без изменения схемотехники уйти невозможно.

Идя по пути совершенствования можно использовать микросхему вроде LM317 для стабилизации тока — это позволит не задумываться о значениях прямого напряжения на светодиодах и улучшить стабильность тока по сравнению с резистором, но даже в таком виде стабилизатор будет рассеивать слишком много тепла, так как в лучшем случае на LM317 будет падать где-то 3В. При этом тепловыделение составит как минимум около ватта, что тоже много, учитывая что светодиод, который мы собираемся использовать, тоже потребляет около ватта. То есть, используя линейный стабилизатор, мы теряем возможность подключить еще как минимум один светодиод.

Что же делать?

А есть ли иное решение, свободное и от повышенного тепловыделения? Оказывается, есть! Во всех предыдущих вариантах мы стабилизировали ток, сбрасывая излишек энергии в виде тепла на регулирующем элементе. Между тем существует другой подход к стабилизации: сначала мы берем нужную нам порцию энергии от источника, а потом передаем ее потребителю уже при другом напряжении и токе, сохраняется только количество энергии. При таком подходе КПД часто переваливает за 90%. Этот принцип реализуется в так называемых импульсных стабилизаторах, которыми и являются большинство драйверов мощных светодиодов. По сути это источники напряжения с обратной связью по току — т.е., они сами подстраивают выходное напряжение так, чтобы ток во внешней цепи был постоянен.

Собственно, импульсные драйверы и являются наилучшим выбором. Более подробно принципы стабилизации рассмотрены в моей следующей статье.

Рубрики:Analog circuits
  1. Комментариев нет.
  1. No trackbacks yet.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s