Главная > Analog circuits > Подключение светодиодов: практика

Подключение светодиодов: практика

Итак, товарищи, сегодня я хочу представить продолжение предыдущей статьи про светодиоды. Надеюсь, в прошлый раз я уже убедил всех сомневающихся в том, что светодиоду нужен именно стабильный ток, а потому настало время перейти к конкретным схемам его получения — от простого и убогого к сложному и качественному.

Начнем по порядку.

1. Классика — резистор.

Подходит для маломощных (10 — 50мА) светодиодов. В более мощных случаях становится заметным низкий КПД и не особо хорошие стабилизационные возможности.

Повторю методику расчета:

Пусть среднее падение на применяемом диоде Ufw, напряжение питания U0, и необходим ток диода Ifw. Тогда очевидно, что резистор должен принять на себя излишек напряжения, т.е., на нем должно падать U0-Ufw вольт при рабочем токе Ifw. Откуда несложно посчитать его номинал:

R=(U0-Ufw)/Ifw

Ясно, что в случае нескольких диодов Ufw заменяется на суммарное падение на цепочке.

Механизм стабилизации «на пальцах» описан в предыдущей статье. Однако, его можно объяснить и по-другому: в теории источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением. Мы же здесь имеем источник напряжения, включенный последовательно с резистором. Т.е., с точки зрения диода, резистор наращивает внутреннее сопротивление источника, превращая его из источника напряжения в источник тока. Очевидно, что, чем больше резистор, тем больше такая схема похожа на идеальный источник тока и тем лучше ее параметры. Потому, еще раз, такая схема подходит только для маломощных диодов.

Перейдем к более качественным регуляторам. Но для начала я хотел бы пояснить общий принцип их действия, а для этого рассмотреть источник тока еще с одной стороны. Только что я что-то говорил про бесконечное внутреннее сопротивление — все это в согласии с теорией, никаких сомнений. Однако давайте взглянем по-другому на то, что делает источник тока: по сути, он всегда устанавливает на нагрузке такое напряжение, при котором через нее протекает заданный ток. Т.е., это источник напряжения с обратной связью по току. Таким образом, драйвер для светодиода можно сделать почти из любого стабилизатора напряжения, изменив тип его обратной связи.

2. Линейные регуляторы.

По идее, здесь должна бы быть классическая схема на LM317. Однако я хотел бы отойти от традиций и объяснить принцип работы подобного рода схем на отвлеченном примере, а заодно и проиллюстрировать все вышесказанное про обратную связь и источники тока. Кроме того, как станет очевидно, эти же принципы действуют и для импульсных схем.

Для начала разберемся с тем, как работает стандартный трехвыводной регулятор. Как подсказывает нам Капитан Очевидность, у трехвыводного регулятора имеется три вывода: вход, выход, и управляющий вход. Внутри имеется источник опорного напряжения. В процессе работы внутренняя схема сравнивает напряжение на управляющем входе с опорным, и, если опорное больше, регулятор начинает увеличивать напряжение на нагрузке. Если опорное меньше — уменьшать. При этом сам регулятор даже и не догадывается, что он стабилизатор тока или напряжения — его схема всего лишь реализует описанный алгоритм. Очевидно, что для получения желаемого эффекта стбилизации надо связать изменение напряжения на выходе и напряжения на управляющем входе с помощью какой-либо цепи. Например, если мы хотим получить постоянное напряжение, необходимо сконструировать цепь, которая будет подавать на управляющий вход напряжение больше опорного, когда выходное напряжение больше необходимого, и меньше опорного в противном случае. Очевидно, что такой цепью является обычный резистивный делитель. Собственно, классический стабилизатор напряжения на LM317:

Обычное напряжение опорного источника в LM317 — 1.25В.

Однако мы хотели стабилизировать ток. Т.е., нам нужна схема, которая будет подавать на управляющий вход напряжение меньше опорного, если выходной ток меньше заданного, и больше — если больше. Т.е., необходимо превратить изменение тока в изменение напряжения. Ясно, что здесь нам опять поможет резистор:

А теперь давайте сделаем то, что я так люблю делать — посмотрим на эту схему под другим углом. Вглядитесь, ведь здесь мы, по сути, заставляем регулятор стабилизировать напряжение на резисторе на уровне опорного (1.25В для LM317). А, поскольку резистор — линейный элемент, то при стабильном напряжении ток через него будет постоянен. Светодиод же включен последовательно со всей этой конструкцией, и потому его ток тоже будет постоянен, хотя регулятор про него ничего не знает — он просто стабилизирует напряжение на резисторе.

Из вышесказанного очевидно, что резистор можно расчитать, исходя из опорного напряжения и заданного тока:

R=Uref/I0

Для LM317 — R=1.25/I0.

Достоинство такого регулятора — высокая стабильность тока и простота схемы. Недостаток — низкий КПД. Кроме того, есть и чисто практическое неудобство: как нетрудно убедиться, для значительных токов (>~0.2А) расчетные номиналы сопротивлений получаются порядка десятков Ом, что создает трудности в их добыче — чаще всего приходится изготавливать оные самостоятельно, либо наматывая из, например, нихрома, либо по-разному соединяя стандартные резисторы.

3. Импульсные регуляторы.

Линейные регуляторы изменяют параметры питания нагрузки, сбрасывая излишки энергии источника на регулирующем элементе (чаще всего это транзистор). Однако существует и другой подход: сначала мы берем порцию энергии от источника, например, запасая ее в дросселе в виде магнитного поля (или в конденсаторе в виде электрического), а потом отдаем ее в нагрузку. При этом нет необходимости сбрасывать излишки, поскольку мы сразу берем энергии ровно столько, сколько ее требуется.

В соответствующей статье Википедии есть хорошая картинка:

Это один из вариантов построения импульсного преобразователя (понижающий преобразователь). Пока ключ замкнут, ток от источника протекает через катушку, и в это время в ней запасается энергия. При разомкнутом ключе индуктивность отдает накопленную энергию в нагрузку.

При всех концептуальных различиях в способе управления питанием нагрузки, алгоритм работы импульсных преобразователей не отличается от алгоритма работы линейных. Т.е., они также сравнивают напряжение на регулируюшем входе с внутренней опорой. А потому все сказанное про обратную связь в равной степени относится и к ним.

Пример. Превращаем MC34063 — импульсный стабилизатор напряжения, в драйвер светодиодов:

Вывод 5 MC34063 — тот самый управляющий вход, напряжение на котором внутри сравнивается с опорным. В принципе, его можно прямо подключить туда же, куда включен неинвертирующий вход ОУ. Очевидно, при этом надо будет пересчитать резистор обратной связи по току R1 так, чтобы напряжение на нем при заданном токе было равно опорному — те же 1.25В. Однако при этих условиях мощность, рассеиваемая на нем, будет около полуватта (при токе 350мА, для которого расчитывалась эта схема), что много. Потому для повышения КПД я поставил резистор меньшего номинала, напряжение с которого усиливается с помощью ОУ. Кстати, как нетрудно видеть, такая схема имеет еще один бонус — возможность менять ток, изменяя коэффициент усиления. Кроме того, по этой же причине для нее не важен точный номинал токоизмерительного резистора.

А вообще уже давно выпускается множество специализированных светодиодных драйверов. На самом деле, основное отличие т.н. «драйвера» от простого импульсного стабилизатора состоит в том, что тот операционный усилитель, который мне пришлось поставить отдельно для MC34063, в них уже присутствует, что и дает возможность сразу ставить резисторы малого сопротивления.

В документации на драйверы дается исчерпывающая информация относительно их применения, потому я лишь для порядка приведу пример схемы включения одного из них — ZXLD1362 (просто цитата из даташита):

Кроме того, существует класс схем на основе блокинг-генератора, применяемых для питания маломощных светодиодов от батареек в тех случаях,когда приоритетом является низкая цена — таким схемам будет посвящена моя следующая статья. Однако, стоит отметить, что для той же цели также есть интегральные драйверы.

Собственно, все. Надеюсь, этот материал поможет кому-то разобраться в вопросах питания светодиодов.

Рубрики:Analog circuits
  1. 07/12/2012 в 08:18

    А есть какие то схемы, как например к регулятору LM317 добавить маломощное широтное импульсное включение светодиода?
    Особенно интересно как пристроить, допустим к управляющей ноге, сдвиговый регистр 74HC595. Я так думаю, он выдаёт на выходе, при включении, напряжение питания, значит с помощью делителя напряжения…

    И еще, можно ли подключить светодиод к регулятору без резистора?

    • YS
      07/12/2012 в 20:07

      В смысле, стабилизировать ток LM317, а яркость регулировать с помощью ШИМ? Я бы просто перед LM317 поставил полевик, и ШИМ завел бы на него.

      А смысл в сдвиговом регистре?

      Сконфигурировать регулятор как стабилизватор тока и подключить.

  2. NDI
    01/06/2012 в 22:02

    Дальнейшая эволюция линейного регулирования на LM317 дала в результате регулятор в корпусе SOD-123 с двумя выводами и без задающего резистора. Только вопрос, какова эффективность такого решения (http://www.onsemi.ru.com/pub_link/Collateral/NSI45020-D.PDF)?

    • YS
      01/06/2012 в 22:09

      Так если Вы про КПД, то он всегда считается как Pполезная/Pсуммарная.

      Т.е., КПД=Uсветодиодов/Uпит (ток сокращается). Т.е., чем больше разница напряжений, тем меньше КПД… К слову, импульсные драйверы от этого как раз не страдают.

      Ну а точность поддержания тока прямо в даташите указана — 15%.

  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