Широкое распространение светодиодов повлекло за собой массовое производство блоков питания для них. Такие блоки называются драйверами. Основной их особенностью является то, что они способны стабильно поддерживать на выходе заданный ток. Другими словами, драйвер для светодиодов (LED) – это источник тока для их питания.
Назначение
Поскольку светодиод — это полупроводниковые элементы, ключевой характеристикой, определяющей яркость их свечения, является не напряжение, а ток. Чтобы они гарантированно отработали заявленное количество часов, необходим драйвер, — он стабилизирует ток, протекающий через цепь светодиодов. Возможно использование маломощных светоизлучающих диодов и без драйвера, в этом случае его роль выполняет резистор.
Применение
Драйверы применяются как при питании светодиода от сети 220В, так и от источников постоянного напряжения 9-36 В. Первые используются при освещении помещений светодиодными лампами и лентами, вторые чаще встречаются в автомобилях, велосипедных фарах, переносных фонарях и т.д.
Принцип работы
Как уже было сказано, драйвер – это источник тока. Его отличия от источника напряжения проиллюстрированы ниже.
Источник напряжения создает на своем выходе некоторое напряжение, в идеале не зависящее от нагрузки.
Например, если подключить к источнику напряжением 12 В резистор 40 Ом, через него пойдет ток 300 мА.
Если подключить параллельно два резистора, суммарный ток составит уже 600 мА при том же напряжении.
Драйвер же поддерживает на своем выходе заданный ток. Напряжение при этом может изменяться.
Подключим так же резистор 40 Ом к драйверу 300 мА.
Драйвер создаст на резисторе падение напряжения 12 В.
Если подключить параллельно два резистора, ток по-прежнему будет 300 мА, а напряжение упадет до 6 В:
Таким образом, идеальный драйвер способен обеспечить нагрузке номинальный ток вне зависимости от падения напряжения. То есть светодиод с падением напряжения 2 В и током 300 мА будет гореть так же ярко, как и светодиод напряжением 3 В и током 300 мА.
Основные характеристики
При подборе нужно учитывать три основных параметра: выходное напряжение, ток и потребляемая нагрузкой мощность.
Напряжение на выходе драйвера зависит от нескольких факторов:
- падение напряжения на светодиоде;
- количество светодиодов;
- способ подключения.
Ток на выходе драйвера определяется характеристиками светодиодов и зависит от следующих параметров:
- мощность светодиодов;
- яркость.
Мощность светодиодов влияет на потребляемый ими ток, который может варьироваться в зависимости от требуемой яркости. Драйвер должен обеспечить им этот ток.
Мощность нагрузки зависит от:
- мощности каждого светодиода;
- их количества;
- цвета.
В общем случае потребляемую мощность можно рассчитать как
где Pled — мощность светодиода,
N — количество подключаемых светодиодов.
Максимальная мощность драйвера не должна быть меньше.
Стоит учесть, что для стабильной работы драйвера и предотвращения выхода его из строя следует обеспечить запас по мощности хотя бы 20-30%. То есть должно выполняться следующее соотношение:
где Pmax — максимальная мощность драйвера.
Кроме мощности и количества светодиодов, мощность нагрузки зависит еще от их цвета. Светодиоды разных цветов имеют разное падение напряжения при одинаковом токе. Например, красный светодиод XP-E обладает падением напряжения 1.9-2.4 В при токе 350 мА. Средняя потребляемая им мощность таким образом составляет около 750 мВт.
У XP-E зеленого цвета падение 3.3-3.9 В при том же токе, и его средняя мощность составит уже около 1.25 Вт. То есть драйвером, рассчитанным на 10 ватт, можно питать либо 12-13 красных светодиодов, либо 7-8 зеленых.
Как подобрать драйвер для светодиодов. Способы подключения LED
Допустим, имеется 6 светодиодов с падением напряжения 2 В и током 300 мА. Подключить их можно различными способами, и в каждом случае потребуется драйвер с определенными параметрами:
Соединять таким образом параллельно 3 и более светодиодов недопустимо, так как при этом через них может пойти слишком большой ток, в результате чего они быстро выйдут из строя.
Обратите внимание, что во всех случаях мощность драйвера составляет 3.6 Вт и не зависит от способа подключения нагрузки.
Таким образом, целесообразнее выбирать драйвер для светодиодов уже на этапе закупки последних, предварительно определив схему подключения. Если же сначала приобрести сами светодиоды, а потом подбирать к ним драйвер, это может оказаться нелегкой задачей, поскольку вероятность того, что Вы найдете именно тот источник питания, который сможет обеспечить работу именно этого количества светодиодов, включенных по конкретной схеме, невелика.
Виды
В общем случае драйверы для светодиодов можно разделить на две категории: линейные и импульсные.
У линейного выходом служит генератор тока. Он обеспечивает стабилизацию выходного тока при нестабильном входном напряжении; причем подстройка происходит плавно, не создавая высокочастотных электромагнитных помех. Они просты и дешевы, но невысокий КПД (менее 80%) ограничивает сферу их применения маломощными светодиодами и лентами.
Импульсные представляют собой устройства, создающие на выходе серию высокочастотных импульсов тока.
Обычно они работают по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), то есть среднее значение выходного тока определяется отношением ширины импульсов к периоду их следования (эта величина называется коэффициентом заполнения).
На диаграмме выше показан принцип работы ШИМ-драйвера: частота импульсов остается постоянной, но изменяется коэффициент заполнения от 10% до 80%. Это ведет к изменению среднего значения тока I cp на выходе.
Такие драйверы получили широкое распространение благодаря компактности и высокому КПД (около 95%). Основным недостатком является больший по сравнению с линейными уровень электромагнитных помех.
Светодиодный драйвер на 220 В
Для включения в сеть 220 В выпускаются как линейные, так и импульсные. Существуют драйверы с гальванической развязкой от сети и без нее. Основными преимуществами первых являются высокий КПД, надежность и безопасность.
Без гальванической развязки обычно дешевле, но менее надежны и требуют осторожности при подключении, поскольку есть вероятность поражения током.
Китайские драйверы
Востребованность драйверов для светодиодов способствует их массовому производству в Китае. Эти устройства представляют собой импульсные источники тока, обычно на 350-700 мА, часто не имеющие корпуса.
Китайский драйвер для светодиода 3w
Основные их достоинства – низкая цена и наличие гальванической развязки. Недостатки следующие:
- низкая надежность из-за использования дешевых схемных решений;
- отсутствие защиты от перегрева и колебаний в сети;
- высокий уровень радиопомех;
- высокий уровень пульсаций на выходе;
- недолговечность.
Срок службы
Обычно срок службы драйвера меньше, чем у оптической части – производители дают гарантию на 30000 часов работы. Это связано с такими факторами, как:
- нестабильность сетевого напряжения;
- перепады температур;
- уровень влажности;
- загруженность драйвера.
Самым слабым звеном светодиодного драйвера являются сглаживающие конденсаторы, которые имеют тенденцию к испарению электролита, особенно в условиях повышенной влажности и нестабильного питающего напряжения. В результате уровень пульсаций на выходе драйвера повышается, что негативно сказывается на работе светодиодов.
Также на срок службы влияет неполная загруженность драйвера. То есть если он, рассчитан на 150 Вт, а работает на нагрузку 70 Вт, половина его мощности возвращается в сеть, вызывая ее перегрузку. Это провоцирует частые сбои питания. Рекомендуем почитать про .
Схемы драйверов (микросхемы) для светодиодов
Многие производители выпускают специализированные микросхемы драйверов. Рассмотрим некоторые из них.
ON Semiconductor UC3845 – импульсный драйвер с выходным током до 1А. Схема драйвера для светодиода 10w на этой микросхеме приведена ниже.
Supertex HV9910 – очень распространенная микросхема импульсного драйвера. Ток на выходе не превышает 10 мА, не имеет гальванической развязки.
Простой драйвер тока на этой микросхеме представлен ниже.
Texas Instruments UCC28810. Сетевой импульсный драйвер, имеет возможность организовать гальваническую развязку. Выходной ток до 750 мА.
Еще одна микросхема этой фирмы, — драйвер для питания мощных светодиодов LM3404HV — описывается в этом видео:
Устройство работает по принципу резонансного преобразователя типа Buck Converter, то есть функция поддержания требуемого тока здесь частично возложена на резонансную цепь в виде катушки L1 и диода Шоттки D1 (типовая схема приведена ниже). Также имеется возможность задания частоты коммутации подбором резистора R ON .
Maxim MAX16800 – линейная микросхема, работает при малых напряжениях, поэтому на ней можно построить драйвер 12 вольт. Выходной ток – до 350 мА, поэтому может использоваться как драйвер питания для мощного светодиода, фонарика, и т.д. Есть возможность диммирования. Типовая схема и структура представлены ниже.
Заключение
Светодиоды гораздо более требовательны к источнику питания, чем другие источники света. Например, превышение тока на 20% для люминесцентной лампы не повлечет за собой серьезного ухудшения характеристик, для светодиодов же срок службы сократится в несколько раз. Поэтому выбирать драйвер для светодиодов следует особенно тщательно.
Сегодня в продаже можно увидеть множество различных типов источников питания для светодиодов. Данная статья призвана облегчить выбор нужного вам источника.Прежде всего, рассмотрим различие стандарного блока питания и драйвера для светодиодов . Для начала нужно определиться - что такое блок питания? В общем случае это - источник питания любого типа, представляющий собой отдельный функциональный блок. Обычно он имеет определенные входные и выходные параметры, причем неважно - для питания каких именно устройств предназначен. Драйвер для питания светодиодов обеспечивает стабильный ток на выходе. Другими словами - это тоже блок питания. Драйвер - это лишь маркетинговое обозначение - дабы избежать путаницы. До появления светодиодов источники тока - а им и является драйвер, не имели широкого распространения. Но вот появился сверхяркий светодиод - и разработка источников тока пошла семимильными шагами. А чтобы не путаться - их называют драйверами. Итак, давайте договоримся о некоторых терминах. Блок питания - это источник напряжения (constant voltage), Драйвер - источник тока (constant current). Нагрузка - то, что мы подключаем к блоку питания или драйверу.
Блок питания
Большинство электроприборов и компонентов электроники требуют для своей работы источник напряжения. Им является обычная электрическая сеть, которая присутствует в любой квартире в виде розетки. Всем известно словосочетание "220 вольт". Как видите - ни слова о токе. Это означает, что если прибор рассчитан на работу от сети 220 В, то вам неважно - сколько тока он потребляет. Лишь бы было 220 - а ток он возьмет сам - столько, сколько ему нужно. К примеру, обычный электрический чайник мощностью 2 кВт (2 000 Вт), включенный в сеть 220 в, потребляет следующий ток: 2 000 / 220 = 9 ампер. Довольно много, учитывая, что большинство обычных электрических удлинителей рассчитано на 10 ампер. В этом причина частого срабатывания защиты (автомата) при включении чайников в розетку через удлинитель, в который и так вставлено много приборов - компьютер, например. И хорошо, если защита сработает, в противном случае удлинитель может просто расплавиться. И так - любой прибор, рассчитанный на включение в розетку - зная, какова его мощность, можно вычислить потребляемый ток.Но большинство бытовых устройств, таких как телевизор, DVD-проигрыватель, компьютер, нуждаются в понижении сетевого напряжения с 220 В до нужного им уровня - например, 12 вольт. Блок питания - это как раз то устройство, которое занимается таким понижением.
Понизить напряжение сети можно разными способами. Самые распостраненные блоки питания - трансформаторный и импульсный.
Блок питания на основе трансформатора
В основе такого блока питания лежит большая, железная, гудящая штуковина.:) Ну, нынешние трансформаторы гудят поменьше. Основное достоинство - простота и относительная безопасность таких блоков. Они содержат минимум деталей, но при этом обладают неплохими характеристиками. Основной минус - КПД и габариты. Чем больше мощность блока питания - тем он тяжелее. Часть энергии расходуется на "гудение" и нагрев:) Кроме того, в самом трансформаторе теряется часть энергии. Другими словами - просто, надежно, но имеет большой вес и много потребляет - КПД на уровне 50-70%. Имеет важный неотъемлемый плюс - гальваническую развязку от сети. Это означает, что если произойдет неисправность или вы случайно залезете рукой во вторичную цепь питания - током вас не стукнет:) Еще один несомненный плюс - блок питания может быть включен в сеть без нагрузки - это ему не повредит.Но давайте посмотрим, что будет, если перегрузить такой блок питания .
Имеется: трансформаторный блок питания с выходным напряжением 12 вольт и мощностью 10 ватт. Подключим к нему лампочку 12 вольт 5 ватт. Лампочка будет светиться на все свои 5 ватт и потреблять тока 5 / 12 = 0,42 А.
Подключим вторую лампочку последовательно к первой, вот так:
Обе лампочки будут светиться, но очень тускло. При последовательном соединении ток в цепи останется тем же - 0,42 А, а вот напряжение распределится между двумя лампочками, то есть каждая получит по 6 вольт. Понятно, что светиться они будут еле-еле. Да и потреблять при этом будут каждая примерно по 2,5 Вт.
Теперь изменим условия - подключим лампочки параллельно:
В итоге напряжение на каждой лампе будет одинаковое - 12 вольт, а вот тока они возьмут каждая по 0,42 А. То есть ток в цепи возрастет в два раза. Учитывая, что блок у нас мощностью 10 Вт - мало ему уже не покажется - при параллельном включении мощность нагрузки, то есть лампочек, суммируется. Если мы еще и третью подключим - то блок питания начнет дико греться и в конце концов сгорит, возможно, прихватив с собой вашу квартиру. А все это потому, что он не умеет ограничивать ток. Поэтому очень важно правильно рассчитать нагрузку на блок питания. Конечно, блоки посложнее содержат защиту от перегрузки и автоматически отключаются. Но рассчитывать на это не стоит - защита, бывает, тоже не срабатывает.
Импульсный блок питания
Самый простой и яркий представитель - китайский блок питания для галогеновых ламп 12 В. Содержит небольшое количество деталей, легкий, маленький. Размеры 150 Вт блока - 100х50х50 мм, вес грамм 100. Такой же трансформаторный блок питания весил бы килограмма три, а то и больше. В блоке питания для галогенных ламп тоже есть трансформатор, но он маленький, потому что работает на повышенной частоте. Надо отметить, что КПД такого блока тоже не на высоте - порядка 70-80%, при этом он выдает приличные помехи в электрическую сеть. Есть еще множество блоков, основанных на аналогичном принципе - для ноутбуков, принтеров и т.п. Итак, основное достоинство - небольшие габариты и малый вес. Гальваническая развязка также присутствует. Недостаток - тот же, что и у его трансформаторного собрата. Может сгореть от перегрузки:) Так что если вы решили сделать у себя дома освещение на 12 В галогенных лампах - подсчитайте допустимую нагрузку на каждый трансформатор.Желательно создавать от 20 до 30% запаса. То есть если у вас трансформатор на 150 Вт - лучше не вешайте на него больше, чем 100 Вт нагрузки. И внимательно следите за равшанами, если они делают у вас ремонт. Расчет мощности им доверять не стоит. Также стоит отметить, что импульсные блоки не любят включения без нагрузки . Именно поэтому не рекомендуется оставлять зарядные устройства для сотовых в розетке по окончании зарядки. Впрочем, это все делают, поэтому большинство нынешних импульсных блоков содержат защиту от включения без нагрузки.
Эти два простых представителя семейства блоков питания выполняют общую задачу - обеспечение нужного уровня напряжения для питания устройств, которые к ним подключены. Как уже было сказано выше - устройства сами решают - сколько тока им нужно.
Драйвер
В общем случае драйвер - это источник тока для светодиодов . Для него обычно не бывает параметра "выходное напряжение". Только выходной ток и мощность. Впрочем, вы уже знаете, как можно определить допустимое выходное напряжение - делим мощность в ваттах на ток в амперах.На практике это означает следующее. Допустим, параметры драйвера следующие: ток - 300 миллиампер, мощность - 3 ватта. Делим 3 на 0,3 - получаем 10 вольт. Это максимальное выходное напряжение, которое может обеспечить драйвер. Предположим, что у нас есть три светодиода, каждый из них рассчитан на 300 мА, а напряжение на диоде при этом должно быть около 3 вольт. Если мы подключим один диод к нашему драйверу, то напряжение на его выходе будет 3 вольта, а ток 300 мА. Подключим второй диод последовательно (см. пример с лампами выше) с первым - на выходе будет 6 вольт 300 мА, подключим третий - 9 вольт 300 мА. Если же мы подключим светодиоды параллельно - то эти 300 мА распределятся между ними примерно поровну, то есть примерно по 100 мА. Если мы подключим к драйверу на 300 мА трехваттные светодиоды с рабочим током 700 мА - они будут получать только 300 мА.
Надеюсь, принцип понятен. Исправный драйвер ни при каких условиях не выдаст больше тока, чем он рассчитан - как бы вы не подключали диоды. Надо отметить, что есть драйвера, которые рассчитаны на любое количество светодиодов, лишь бы их общая мощность не превышала мощность драйвера, а есть те, которые рассчитаны на определенное количество - 6 диодов, например. Некоторый разброс в меньшую сторону они, впрочем, допускают - можно подключить пять диодов или даже четыре. КПД универсальных драйверов хуже чем у их собратьев, рассчитанных на фиксированное количество диодов в силу некоторых особенностей работы импульсных схем. Также драйвера с фиксированным количеством диодов обычно содержат защиту от нештатных ситуаций. Если драйвер рассчитан на 5 диодов, а вы подключили три - вполне возможно, что защита сработает и диоды либо не включатся либо будут мигать, сигнализируя об аварийном режиме. Надо отметить, что большинство драйверов плохо переносят подключение к питающему напряжению без нагрузки - этим они сильно отличаются от обычного источника напряжения.
Итак, разницу между блоком питания и драйвером мы определили. Теперь рассмотрим основные типы драйверов для светодиодов, начиная с самых простых.
Резистор
Это простейший драйвер для светодиода. Выглядит как бочонок с двумя выводами. Резистором можно ограничить ток в цепи, подобрав нужное сопротивление. Как это сделать - подробно описано в статье "Подключение светодиодов в авто"Недостаток - низкий КПД, отсутствие гальванической развязки. Способов надежно запитать светодиод от сети 220 В через резистор не существует, хотя во многих бытовых выключателях подобная схема используется.
Конденсаторная схема.
Сходна со схемой на резисторе. Недостатки те же. Возможно изготовить конденсаторную схему достаточной надежности, но при этом стоимость и сложность схемы сильно возрастут.Микросхема LM317
Это следующий представитель семейства простейших драйверов для светодиодов . Подробности - в вышеупомянутой статье о светодиодах в авто. Недостаток - низкий КПД, требуется первичный источник питания. Преимущество - надежность, простота схемы.Драйвер на микросхеме типа HV9910
Данный тип драйверов получил изрядную популярность благодаря простоте схемы, дешевизне комплектующих и небольших габаритах.Преимущество - универсальность, доступность. Недостаток - требует квалификации и осторожности при сборке. Отсутствует гальваническая развязка с сетью 220 В. Высокие импульсные помехи в сеть. Низкий коэффициент мощности.
Драйвер с низковольтным входом
В эту категорию входят драйверы, рассчитанные на подключение к первичному источнику напряжения - блоку питания или аккумулятору. Например, это драйверы для светодиодных фонарей или ламп, предназначенных для замены галогенных 12 В. Преимущество - небольшие габариты и вес, высокий КПД, надежность, безопасность при эксплуатации. Недостаток - требуется первичный источник напряжения.Сетевой драйвер
Полностью готовы к использованию и содержат все необходимые элементы для питания светодиодов. Преимущество - высокий КПД, надежность, наличие гальванической развязки, безопасность при эксплуатации. Недостаток - высокая стоимость, труднодоступны для приобретения. Могут быть как в корпусе, так и без корпуса. Последние обычно применяют в составе ламп или других источников света.Применение драйверов на практике
Большинство людей, планирующих использовать светодиоды , совершают типичную ошибку. Сначала приобретаются сами СИД , затем под них подбирается драйвер . Ошибкой это можно считать потому, что в настоящее время мест, где можно приобрести в достаточном ассортименте драйвера, не так уж и много. В итоге, имея на руках вожделенные светодиоды, вы ломаете голову - как подобрать драйвер из имеющегося в наличии. Вот купили вы 10 светодиодов - а драйвера только на 9 есть. И приходится ломать голову - как быть с этим лишним светодиодом. Может быть, проще было сразу на 9 рассчитывать. Поэтому выбор драйвера должен происходить одновременно с выбором светодиодов. Далее, нужно учитывать особенности светодиодов, а именно падение напряжения на них. К примеру, красный 1 Вт светодиод имеет рабочий ток 300 мА и падение напряжения 1,8-2 В. Потребляемая им мощность составит 0,3 х 2 = 0,6 Вт. А вот синий или белый светодиод имеет при таком же токе падение напряжения 3-3,4 В, то есть мощность 1 Вт. Стало быть, драйвер с током 300 мА и мощностью 10 Вт "потянет" 10 белых или 15 красных светодиодов. Разница существенная. Типовая схема подключения 1 Вт светодиодов к драйверу с выходным током 300 мА выглядит так:
У стандартных 1 Вт светодиодов минусовой вывод больше плюсового по размеру, поэтому его легко отличить.
Как же быть, если доступны только драйвера с током 700 мА? Тогда придется использовать четное количество светодиодов , включая их по два параллельно.
Хочу заметить, что многие ошибочно предполагают, что рабочий ток 1 Вт светодиодов - 350 мА. Это не так, 350 мА - это МАКСИМАЛЬНЫЙ рабочий ток. Это означает, что при продолжительной работе необходимо использовать источник питания с током 300-330 мА. Это же верно и для параллельного включения - ток на один светодиод не должен превышать указанной цифры 300-330 мА. Вовсе не значит, что работа на повышенном токе вызовет отказ светодиода. Но при недостаточном теплоотводе каждый лишний миллиампер способен сократить срок службы. К тому же чем выше ток - тем ниже КПД светодиода, а значит, сильнее его нагрев.
Если речь пойдет о подключении
светодиодной ленты или модулей, рассчитанных на 12 или 24 вольта, нужно
принимать во внимание, что предлагаемые для них источники питания
ограничивают напряжение, а не ток, то есть не являются драйверами в
принятой терминологии. Это означает, во первых, что нужно внимательно
следить за мощностью нагрузки, подключаемой к определенному блоку
питания. Во-вторых, если блок недостаточно стабилен, скачок выходного
напряжения может погубить вашу ленту. Слегка облегчает жизнь
то,
что в лентах и модулях (кластерах) установлены резисторы,
позводяющие ограничить ток до определенной степени. Надо сказать,
светодиодная лента потребляет относительно большой ток. Например, лента
smd 5050 , количество светодиодов в которой составляет 60 штук на метр,
потребляет около 1,2 А на метр. То есть для запитки 5 метров
понадобится блок питания с током не менее 7-8 ампер. При этом 6 ампер
потребит сама лента, а один-два ампера нужно оставить про запас, чтобы
не перегружить блок. А 8 ампер - это почти 100 ватт. Такие блоки
недешевы.
Драйверы более оптимальны для подключения ленты,
но найти такие специфические драйвера проблематично.
Подытоживая, можно сказать, что выбору драйвера для светодиодов нужно уделять не меньше, а то и больше внимания, чем светодиодам. Небрежность при выборе чревата выходом из строя светодиодов, драйвера, чрезмерным потреблением и другими прелестями:)
Юрий Рубан, ООО "Рубикон", 2010 г .
Недавно один знакомый попросил меня помочь с проблемой. Он занимается разработкой LED ламп, попутно ими приторговывая. У него скопилось некоторое количество ламп, работающих неправильно. Внешне это выражается так – при включении лампа вспыхивает на короткое время (менее секунды) на секунду гаснет и так повторяется бесконечно. Он дал мне на исследование три таких лампы, я проблему решил, неисправность оказалась очень интересной (прямо в стиле Эркюля Пуаро) и я хочу рассказать о пути поиска неисправности.
LED лампа выглядит вот так:
Рис 1. Внешний вид разобранной LED лампы
Разработчик применил любопытное решение – тепло от работающих светодиодов забирается тепловой трубкой и передается на классический алюминиевый радиатор. По словам автора, такое решение позволяет обеспечить правильный тепловой режим для светодиодов, минимизируя тепловую деградацию и обеспечивая максимально возможный срок службы диодов. Попутно увеличивается срок службы драйвера питания диодов, так как плата драйвера оказывается вынесенной из теплового контура и температура платы не превышает 50 градусов Цельсия.
Такое решение – разделить функциональные зоны излучения света, отвода тепла и генерации питающего тока – позволило получить высокие эксплуатационные характеристики лампы по надежности, долговечности и ремонтопригодности.
Минус таких ламп, как ни странно, прямо вытекает из ее плюсов – долговечная лампа не нужна производителям:). Историю о сговоре производителей ламп накаливания о максимальном сроке службы в 1000 часов все помнят?
Ну и не могу не отметить характерный внешний вид изделия. Мой «госконтроль» (жена) не разрешил мне ставить эти лампы в люстру, где они видны.
Вернемся к проблемам драйвера.
Вот так выглядит плата драйвера:
Рис 2. Внешний вид платы LED драйвера со стороны поверхностного монтажа
И с обратной стороны:
Рис 3. Внешний вид платы LED драйвера со стороны силовых деталей
Изучение ее под микроскопом позволило определить тип управляющей микросхемы – это MT7930. Это микросхема контроля обратноходового преобразователя (Fly Back), обвешанная разнообразными защитами, как новогодняя елка – игрушками.
В МТ7930 встроены защиты:
От превышения тока ключевого элемента
понижения напряжения питания
повышения напряжения питания
короткого замыкания в нагрузке и обрыва нагрузки.
от превышения температуры кристалла
Декларирование защиты от короткого замыкания в нагрузке для источника тока носит скорее маркетинговый характер:)
Принципиальной схемы на именно такой драйвер добыть не удалось, однако поиск в сети дал несколько очень похожих схем. Наиболее близкая приведена на рисунке:
Рис 4. LED Driver MT7930. Схема электрическая принципиальная
Анализ этой схемы и вдумчивое чтение мануала к микросхеме привело меня к выводу, что источник проблемы мигания – это срабатывание защиты после старта. Т.е. процедура начального запуска проходит (вспыхивание лампы – это оно и есть), но далее преобразователь выключается по какой-то из защит, конденсаторы питания разряжаются и цикл начинается заново.
Внимание! В схеме присутствуют опасные для жизни напряжения! Не повторять без должного понимания что вы делаете!
Для исследования сигналов осциллографом надо развязать схему от сети, чтобы не было гальванического контакта. Для этого я применил разделительный трансформатор. На балконе в запасах были найдены два трансформатора ТН36 еще советского производства, датированные 1975 годом. Ну, это вечные устройства, массивные, залитые полностью зеленым лаком. Подключил по схеме 220 – 24 – 24 -220. Т.е. сначала понизил напряжение до 24 вольт (4 вторичных обмотки по 6.3 вольта), а потом повысил. Наличие нескольких первичных обмоток с отводами дало мне возможность поиграть с разными напряжениями питания – от 110 вольт до 238 вольт. Такое решение конечно несколько избыточно, но вполне пригодно для одноразовых измерений.
Рис 5. Фото разделительного трансформатора
Из описания старта в мануале следует, что при подаче питания начинает заряжаться конденсатор С8 через резисторы R1 и R2 суммарным сопротивлением около 600 ком. Два резистора применены из требований безопасности, чтобы при пробое одного ток через эту цепь не превысил безопасного значения.
Итак, конденсатор по питанию медленно заряжается (это время порядка 300-400 мс) и когда напряжение на нем достигает уровня 18,5 вольт – запускается процедура старта преобразователя. Микросхема начинает генерировать последовательность импульсов на ключевой полевой транзистор, что приводит к возникновению напряжения на обмотке Na. Это напряжение используется двояко – для формирования импульсов обратной связи для контроля выходного тока (цепь R5 R6 C5) и для формирования напряжения рабочего питания микросхемы (цепь D2 R9). Одновременно в выходной цепи возникает ток, который и приводит к зажиганию лампы.
Почему же срабатывает защита и по какому именно параметру?
Первое предположение
Срабатывание защиты по превышению выходного напряжения?
Для проверки этого предположения я выпаял и проверил резисторы в цепи делителя (R5 10 ком и R6 39 ком). Не выпаивая их не проверить, поскольку через обмотку трансформатора они запараллелены. Элементы оказались исправны, но в какой-то момент схема заработала!
Я проверил осциллографом формы и напряжения сигналов во всех точках преобразователя и с удивлением убедился, что все они – полностью паспортные. Никаких отклонений от нормы…
Дал схеме поработать часок – все ОК.
А если дать ей остыть? После 20 минут в выключенном состоянии не работает.
Очень хорошо, видимо дело в нагреве какого-то элемента?
Но какого? И какие же параметры элемента могут уплывать?
В этой точке я сделал вывод, что на плате преобразователя имеется какой-то элемент, чувствительный к температуре. Нагрев этого элемента полностью нормализует работу схемы.
Что же это за элемент?
Второе предположение
Подозрение пало на трансформатор. Проблема мыслилась так – трансформатор из-за неточностей изготовления (скажем на пару витков недомотана обмотка) работает в области насыщения и из-за резкого падения индуктивности и резкого нарастания тока срабатывает защита по току полевого ключа. Это резистор R4 R8 R19 в цепи стока, сигнал с которого подается на вывод 8 (CS, видимо Current Sense) микросхемы и используется для цепи ОС по току и при превышении уставки в 2.4 вольта отключает генерацию для защиты полевого транзистора и трансформатора от повреждений. На исследуемой плате стоит параллельно два резистора R15 R16 с эквивалентным сопротивлением 2,3 ома.
Но насколько я знаю, параметры трансформатора при нагреве ухудшаются, т.е. поведение системы должно быть другим – включение, работа минут 5-10 и выключение. Трансформатор на плате весьма массивный и тепловая постоянная у него ну никак не менее единиц минут.
Может, конечно в нем есть короткозамкнутый виток, который исчезает при нагреве?
Перепайка трансформатора на гарантированно исправный была в тот момент невозможна (не привезли еще гарантированно рабочую плату), поэтому оставил этот вариант на потом, когда совсем версий не останется:). Плюс интуитивное ощущение – не оно. Я доверяю своей инженерной интуиции.
К этому моменту я проверил гипотезу о срабатывании защиты по току, уменьшив резистор ОС по току вдвое припайкой параллельно ему такого же – это никак не повлияло на моргание лампы.
Значит, с током полевого транзистора все нормально и превышения по току нет. Это было хорошо видно и по форме сигнала на экране осциллографа. Пик пилообразного сигнала составлял 1,8 вольта и явно не достигал значения в 2,4 вольта, при котором микросхема выключает генерацию.
К изменению нагрузки схема также оказалась нечувствительна – ни подсоединение второй головки параллельно, ни переключение прогретой головы на холодную и обратно ничего не меняло.
Третье предположение
Я исследовал напряжение питания микросхемы. При работе в штатном режиме все напряжения были абсолютно нормальными. В мигающем режиме тоже, насколько можно было судить по формам сигналов на экране осциллографа.
По прежнему, система мигала в холодном состоянии и начинала нормально работать при прогреве ножки трансформатора паяльником. Секунд 15 погреть – и все нормально заводится.
Прогрев микросхемы паяльником ничего не давал.
И очень смущало малое время нагрева… что там может за 15 секунд измениться?
В какой-то момент сел и методично, логически отсек все гарантированно работающее. Раз лампа загорается - значит цепи запуска исправны.
Раз нагревом платы удается запустить систему и она часами работает - значит и силовые системы исправны.
Остывает и перестает работать - что-то зависит от температуры…
Трещина на плате в цепи обратной связи? Остывает и сжимается, контакт нарушается, нагревается, расширяется и контакт восстанавливается?
Пролазил тестером холодную плату - нет обрывов.
Что же еще может мешать переходу от режима запуска в рабочий режим?!!!
От полной безнадеги интуитивно припаял параллельно электролитическому конденсатору 10 мкф на 35 вольт по питанию микросхемы такой же.
И тут наступило счастье. Заработало!
Замена конденсатора 10 мкф на 22 мкф полностью решило проблему.
Вот он, виновник проблемы:
Рис 6. Конденсатор с неправильной емкостью
Теперь стал понятен механизм неисправности. Схема имеет две цепи питания микросхемы. Первая, запускающая, медленно заряжает конденсатор С8 при подаче 220 вольт через резистор в 600 ком. После его заряда микросхема начинает генерировать импульсы для полевика, запуская силовую часть схемы. Это приводит к генерации питания для микросхемы в рабочем режиме на отдельной обмотке, которое поступает на конденсатор через диод с резистором. Сигнал с этой обмотки также используется для стабилизации выходного тока.
Пока система не вышла в рабочий режим - микросхема питается запасенной энергией в конденсаторе. И ее не хватало чуть-чуть - буквально пары-тройки процентов.
Падения напряжения оказалось достаточно, чтобы система защиты микросхемы срабатывала по пониженному питанию и отключала все. И цикл начинался заново.
Отловить эту просадку напряжения питания осциллографом не получалось - слишком грубая оценка. Мне казалось, что все нормально.
Прогрев же платы увеличивал емкость конденсатора на недостающие проценты - и энергии уже хватало на нормальный запуск.
Понятно, почему только некоторая часть драйверов отказала при полностью исправных элементах. Сыграло роль причудливое сочетание следующих факторов:
Малая емкость конденсатора по питанию. Положительную роль сыграл допуск на емкость электролитических конденсаторов (-20% +80%), т.е. емкости номиналом 10 мкф в 80% случаев имеют реальную емкость около 18 мкф. Со временем емкость уменьшается из-за высыхания электролита.
Положительная температурная зависимость емкости электролитических конденсаторов от температуры. Повышенная температура на месте выходного контроля - достаточно буквально пары-тройки градусов и емкости хватает для нормального запуска. Если предположить, что на месте выходного контроля было не 20 градусов, а 25-27, то этого оказалось достаточно для практически 100% прохождения выходного контроля.
Производитель драйверов сэкономил конечно, применив емкости меньшего номинала по сравнению с референс дизайн из мануала (там указано 22 мкф) но свежие емкости при повышенной температуре и с учетом разброса +80% позволили партию драйверов сдать заказчику. Заказчик получил вроде бы работающие драйверы, которые со временем стали отказывать по непонятной причине. Интересно было бы узнать – инженеры производителя учли особенности поведения электролитических конденсаторов при повышении температуры и естественный разброс или это получилось случайно?
Сегодняшний пост , решил посвятить вопросу , который с одной стороны вроде как и не требует особого внимания , а с другой стороны часто возникает у людей , которые начинают знакомиться с миром светодиодной светотехники .
Итак «Зачем светодиоду нужен драйвер?»
Начнём
с
основ
, которые
не
сильно
поменялись
со
времен
изобретения
Ником
Холоньяком
в
1962
году
первого
красного
светодиода
. Светодиод
- это
полупроводниковый
диод
, преобразующий
приложенную
к
нему
электрическую
энергию
в
некогерентное
световое
излучение
. Световое
излучение
достигается
за
счет
рекомбинации
неосновных
носителей
в
области
p-n
перехода
. Поток
неосновных
носителей
в свою очередь
обеспечивается
прямым
напряжением
смещения.
Вот тут-то возникает основные трудности у начинающих разработчиков светодиодных устройств. Дело в том, что в отличии от обычных выпрямительных диодов, кроме того что у светодиодов значение прямого напряжения больше, больше и его разброс. И если эту особенность не учесть, то это может привести к печальным последствиям, так как небольшие изменения прямого напряжения приводят к значительным изменениям тока. Причем ни у одного производителя вы не найдете этот диапазон, по крайней мере на сегодняшний день. В лучшем случае, как например для светодиодов Cree, вы найдете типовые и максимальные значения. Пример типовой вольт амперной характеристики на примере диода XQ-D дан на рисунке, также в таблице приведены значения прямого напряжения падения.
И если с разбросом прямого напряжения падения всё понятно перейдём к следующему факту. Яркость светодиода зависит от протекающего через него тока, а не напряжения. Т.е если мы хотим заставить светодиод выдать необходимый нам световой поток, а для цветных светодиодов ещё и получить заявленный цвет, мы должны обеспечить необходимое значения тока через него. Типовая зависимость светового потока от заданного тока дана ниже на примере диода XQ-D.
Соответственно, чтобы достичь заявленной производителем оптимальной яркости нам необходимо обеспечить светодиод соответствующим током. Таким образом становиться ясным, что основное назначение драйвера светодиода — это обеспечить требуемый ток. В простейшем случае драйвер светодиода не что иное как обычный источник постоянного тока, обеспечивающий заданное значение тока через светодиод.
Поэтому вполне логичным выглядит использование источника постоянного стабилизированного напряжения с резистором в качестве токоограничевающего/преобразующего напряжение в ток элемента.
Действительно такое решение достаточно простое, дешёвое и требует минимального количества компонентов. Одним из минусов такого решения является тот факт, что из-за разброса параметров светодиода, при заданном и рассчитанном значении резистора мы будем иметь разброс тока через диод и следовательно будет различаться световой поток. При небольших количествах устройств данный минус обходиться простым подбором резистора под конкретные диоды. Но данное решение начинает становиться большим минусом когда речь заходит о серийном производстве.
Также не смотря на то, что резистор является простейшим преобразователем напряжения в ток, КПД такого решения будет тем ниже чем больше падение напряжения на резисторе, что становиться существенным ограничением при использовании мощных светодиодов где рабочий ток 1А и более.
И напоследок следует отметить, что большинство драйверов светодиодов кроме управления током через светодиод позволяют реализовать дополнительные функции: диммирование, защита системы от обрыва и короткого замыкания, тепловая защита и т.д. Поэтому если не стоит вопрос энергоэффективности, повторяемости световых характеристик, управления световым потоком, защиты системы от сбоев то собственно говоря драйвер и не нужен. Во всех других случаях без него будет трудно обойтись. Если есть другие интересующие вопросы по данной тематике, оставляйте комментарии — будем на них отвечать по мере сил и возможностей.
Пример расчёта LED-драйвера представлен в статье:
Для применения светодиодов в качестве источников освещения обычно требуется специализированный драйвер. Но бывает так, что нужного драйвера под рукой нет, а требуется организовать подсветку, например, в автомобиле, или протестировать светодиод на яркость свечения. В этом случае можно сделать для светодиодов своими руками.
Как сделать драйвер для светодиодов
В приведенных ниже схемах используются самые распространенные элементы, которые можно приобрести в любом радиомагазине. При сборке не требуется специальное оборудование, — все необходимые инструменты находятся в широком доступе. Несмотря на это, при аккуратном подходе устройства работают достаточно долго и не сильно уступают коммерческим образцам.
Необходимые материалы и инструменты
Для того, чтобы собрать самодельный драйвер, потребуются:
- Паяльник мощностью 25-40 Вт. Можно использовать и большей мощности, но при этом возрастает опасность перегрева элементов и выхода их из строя. Лучше всего использовать паяльник с керамическим нагревателем и необгораемым жалом, т.к. обычное медное жало довольно быстро окисляется, и его приходится чистить.
- Флюс для пайки (канифоль, глицерин, ФКЭТ, и т.д.). Желательно использовать именно нейтральный флюс, — в отличие от активных флюсов (ортофосфорная и соляная кислоты, хлористый цинк и др.), он со временем не окисляет контакты и менее токсичен. Вне зависимости от используемого флюса после сборки устройства его лучше отмыть с помощью спирта. Для активных флюсов эта процедура является обязательной, для нейтральных — в меньшей степени.
- Припой. Наиболее распространенным является легкоплавкий оловянно-свинцовый припой ПОС-61. Бессвинцовые припои менее вредны при вдыхании паров во время пайки, но обладают более высокой температурой плавления при меньшей текучести и склонностью к деградации шва со временем.
- Небольшие плоскогубцы для сгибания выводов.
- Кусачки или бокорезы для обкусывания длинных концов выводов и проводов.
- Монтажные провода в изоляции. Лучше всего подойдут многожильные медные провода сечением от 0.35 до 1 мм2.
- Мультиметр для контроля напряжения в узловых точках.
- Изолента или термоусадочная трубка.
- Небольшая макетная плата из стеклотекстолита. Достаточно будет платы размерами 60х40 мм.
Макетная плата из текстолита для быстрого монтажа
Схема простого драйвера для светодиода 1 Вт
Одна из самых простых схем для питания мощного светодиода представлена на рисунке ниже:
Как видно, помимо светодиода в нее входят всего 4 элемента: 2 транзистора и 2 резистора.
В роли регулятора тока, проходящего через led, здесь выступает мощный полевой n-канальный транзистор VT2. Резистор R2 определяет максимальный ток, проходящий через светодиод, а также работает в качестве датчика тока для транзистора VT1 в цепи обратной связи.
Чем больший ток проходит через VT2, тем большее напряжение падает на R2, соответственно VT1 открывается и понижает напряжение на затворе VT2, тем самым уменьшая ток светодиода. Таким образом достигается стабилизация выходного тока.
Питание схемы осуществляется от источника постоянного напряжения 9 — 12 В, ток не менее 500 мА. Входное напряжение должно быть минимум на 1-2 В больше падения напряжения на светодиоде.
Резистор R2 должен рассеивать мощность 1-2 Вт, в зависимости от требуемого тока и питающего напряжения. Транзистор VT2 – n-канальный, рассчитанный на ток не менее 500 мА: IRF530, IRFZ48, IRFZ44N. VT1 – любой маломощный биполярный npn: 2N3904, 2N5088, 2N2222, BC547 и т.д. R1 – мощностью 0.125 — 0.25 Вт сопротивлением 100 кОм.
Ввиду малого количества элементов, сборку можно производить навесным монтажом:
Еще одна простая схема драйвера на основе линейного управляемого стабилизатора напряжения LM317:
Здесь входное напряжение может быть до 35 В. Сопротивление резистора можно рассчитать по формуле:
где I – сила тока в амперах.
В этой схеме на LM317 будет рассеиваться значительная мощность при большой разнице между питающим напряжением и падением на светодиоде. Поэтому ее придется разместить на небольшом . Резистор также должен быть рассчитан на мощность не менее 2 Вт.
Более наглядно эта схема рассмотрена в следующем видео:
Здесь показано, как подключить мощный светодиод, используя аккумуляторы напряжением около 8 В. При падении напряжения на LED около 6 В разница получается небольшая, и микросхема нагревается несильно, поэтому можно обойтись и без радиатора.
Обратите внимание, что при большой разнице между напряжением питания и падением на LED необходимо ставить микросхему на теплоотвод.
Схема мощного драйвера с входом ШИМ
Ниже показана схема для питания мощных светодиодов:
Драйвер построен на сдвоенном компараторе LM393. Сама схема представляет собой buck-converter, то есть импульсный понижающий преобразователь напряжения.
Особенности драйвера
- Напряжение питания: 5 — 24 В, постоянное;
- Выходной ток: до 1 А, регулируемый;
- Выходная мощность: до 18 Вт;
- Защита от КЗ по выходу;
- Возможность управления яркостью при помощи внешнего ШИМ сигнала (интересно будет почитать, как ).
Принцип действия
Резистор R1 с диодом D1 образуют источник опорного напряжения около 0.7 В, которое дополнительно регулируется переменным резистором VR1. Резисторы R10 и R11 служат датчиками тока для компаратора. Как только напряжение на них превысит опорное, компаратор закроется, закрывая таким образом пару транзисторов Q1 и Q2, а те, в свою очередь, закроют транзистор Q3. Однако индуктор L1 в этот момент стремится возобновить прохождение тока, поэтому ток будет протекать до тех пор, пока напряжение на R10 и R11 не станет меньше опорного, и компаратор снова не откроет транзистор Q3.
Пара Q1 и Q2 выступает в качестве буфера между выходом компаратора и затвором Q3. Это защищает схему от ложных срабатываний из-за наводок на затворе Q3, и стабилизирует ее работу.
Вторая часть компаратора (IC1 2/2) используется для дополнительной регулировки яркости при помощи ШИМ. Для этого управляющий сигнал подается на вход PWM: при подаче логических уровней ТТЛ (+5 и 0 В) схема будет открывать и закрывать Q3. Максимальная частота сигнала на входе PWM — порядка 2 КГц. Также этот вход можно использовать для включения и отключения устройства при помощи пульта ДУ.
D3 представляет собой диод Шоттки, рассчитанный на ток до 1 А. Если не удастся найти именно диод Шоттки, можно использовать импульсный диод, например FR107, но выходная мощность тогда несколько снизится.
Максимальный ток на выходе настраивается подбором R2 и включением или исключением R11. Так можно получить следующие значения:
- 350 мА (LED мощностью 1 Вт): R2=10K, R11 отключен,
- 700 мА (3 Вт): R2=10K, R11 подключен, номинал 1 Ом,
- 1А (5Вт): R2=2,7K, R11 подключен, номинал 1 Ом.
В более узких пределах регулировка производится переменным резистором и ШИМ – сигналом.
Сборка и настройка драйвера
Монтаж компонентов драйвера производится на макетной плате. Сначала устанавливается микросхема LM393, затем самые маленькие компоненты: конденсаторы, резисторы, диоды. Потом ставятся транзисторы, и в последнюю очередь переменный резистор.
Размещать элементы на плате лучше таким образом, чтобы минимизировать расстояние между соединяемыми выводами и использовать как можно меньше проводов в качестве перемычек.
При соединении важно соблюдать полярность подключения диодов и распиновку транзисторов, которую можно найти в техническом описании на эти компоненты. Также диоды можно в режиме измерения сопротивления: в прямом направлении прибор покажет значение порядка 500-600 Ом.
Для питания схемы можно использовать внешний источник постоянного напряжения 5-24 В или аккумуляторы. У батареек 6F22 («крона») и других слишком маленькая емкость, поэтому их применение нецелесообразно при использовании мощных LED.
После сборки нужно подстроить выходной ток. Для этого на выход припаиваются светодиоды, а движок VR1 устанавливается в крайнее нижнее по схеме положение (проверяется мультиметром в режиме «прозвонки»). Далее на вход подаем питающее напряжение, и вращением ручки VR1 добиваемся требуемой яркости свечения.
Список элементов:
Заключение
Первые две из рассмотренных схем очень просты в изготовлении, но они не обеспечивают защиты от короткого замыкания и обладают довольно низким КПД. Для долговременного использования рекомендуется третья схема на LM393, поскольку она лишена этих недостатков и обладает более широкими возможностями по регулировке выходной мощности.