Питання підключення потужних світлодіодів, Embedder - s life
Питання підключення потужних світлодіодів
Ідемо вірним шляхом, товариші!
У наші дні кожна прогресивна людина знає, що світлодіоди є майбутнім освітленням. У них величезний за сучасними мірками світловий ККД, малі габарити, мала робоча напруга… Одним словом, ідеальне джерело світла. Єдине, що бентежить, це їхні ціни. Проте, вже досить давно у продажу є одноватні світлодіоди, які, на мій погляд, являють собою оптимальне співвідношення ціна/характеристики, що дозволяє з упевненістю говорити про доцільність їхнього застосування для освітлення вже сьогодні.
Крім усвідомлення важливості світлодіодів для народного господарства, прогресивної людини сьогоднішнього дня також відрізняє усвідомлення того факту, що світлодіод — струмовий прилад. А це означає, що перед тим, як насолоджуватися усвідомленням своєї прогресивності, споглядаючи світло цих приладів майбутнього, ми неминуче маємо побудувати стабілізатор струму. Однак перед тим, як зайнятися цією гідною справою, я хотів би зробити невеликий відступ, призначений для заблукалих, які досі не пізнали світлодіодне дао, і завзято намагаються підключати ці кристали до різноманітних джерел напруги.
Чому не батарейка?
В принципі, теоретично, якщо ми визначили напругу на конкретному світлодіоді при потрібному струмі, і потім підтримуємо його з високою точністю, все начебто має бути добре, і як світлодіод за таких умов повинен нормально працювати від джерела напруги. Чудово. А тепер давайте підігріємо цей кристал градусів так на п'ятнадцять (а якщо кристал потужний, то він і сам нагріється, без нашої допомоги). Або охолодимо. Або просто почекаємо, поки він постаріє. Всі ці фактори впливають на робочу напругу. Що буде?Якщо ми його нагріємо, то робоча напруга діода впаде (бо впаде опір, напівпровідник все ж таки). Однак джерело намагатиметься тримати напругу на діоді стабільним, піднімаючи струм експоненційною ВАХ діода. Очевидно, що в цьому випадку кристал буде ще сильніше розігріватися від струму, що проходить, його опір буде ще більше падати, струм буде рости ще більше, і світлодіод згорить.
Тому світлодіод насамперед потребує підтримки стабільного робочого струму.
Вибираємо джерело струму.
Перше, що спадає на думку - включити послідовно зі світлодіодом резистор. Однак подивимося, чим нам це загрожує.
Так, зовсім забув сказати — якщо ми хочемо підключити кілька світлодіодів до одного джерела, розумно включати їх послідовно, бо, як говорилося, світлодіод — струмовий прилад. Тому, включаючи кілька однакових світлодіодів, ми повинні вмикати їх так, щоб забезпечити однаковість струму. А це можливо саме за послідовного підключення (за умови, що максимальна напруга, яка може видати наше джерело, більша за суму падінь на діодах). В іншому випадку нам доведеться робити окремий стабілізатор струму для кожного світлодіода, оскільки, якщо запаралелити їх безпосередньо, то через різницю робочих опорів струми неминуче відрізнятимуться, що в перспективі також може призвести до перегріву та виходу з ладу спочатку одного, а потім і всіх діодів по черзі, оскільки з вигорянням чергового діода струм через ті, що залишилися, буде зростати, провокуючи ще швидший вихід наступних з ладу.
Так от, давайте порахуємо. Світлодіод у нас споживає струмIпри середній напрузі на ньомуUпр.Тоді резистор повинен приймати на себе вольт, що залишилисяUпит.-Uпр.(де Uпит.напруга живлення). Відповідно опір резистора можна порахувати за законом Ома:
При цьому потужність, що на ньому розсіюється, буде рівна
Начебто нічого страшного, більше того, для малопотужних світлодіодів такий підхід можна вважати правильним, оскільки при напругах живлення, що істотно перевершує середнє пряме падіння на діоді та малих струмах (20 - 50мА), номінал резистора виходить досить великим для того, щоб пристойно стабілізувати струм через діод. Відбувається це наступним чином: при нагріванні діода струм, як уже було з'ясовано, намагається вирости, а разом з ним зростає і напруга, що падає на резисторі; т.ч., напруга на діоді опускається до нового, що відповідає новим умовам.
Однак давайте спробуємо порахувати втрати на резисторі виходячи з того, що ми збираємося підключати не який-небудь 5мм світлодіод, а такий хороший одноватний Luxeon. Звичайний робочий струм одноватного світлодіода - 350мА, середнє падіння на ньому приймемо рівним 3.5В. Тоді при 12В джерелі живлення потужність, що розсіюється на резисторі, складе 3 Ватта! При тому, що сам світлодіод у нас споживає один Ватт! Таким чином, майже повністю втрачається перевага світлодіода у ККД. Крім того, це рішення страждає ще низкою недоліків. По-перше, неможливо наперед точно розрахувати опір резистора. Говорячи про падіння напруги, я не випадково сказав, що беру «середнє», бо, як уже було не раз сказано, нормується тільки робочий струм, а напруга на кожному окремому світлодіоді своє. При цьому під час роботи воно може змінюватися в досить широких межах, зокрема через нагрівання світлодіода, зміну погоди на Марсі та низку інших причин. Однак воно явно входить у формулу розрахунку резистора. Тому заздалегідь точно розрахувати опірнеможливо. По-друге, при підключенні світлодіода через резистор струм буде залежати від напруги на вході. І нам потрібно стабілізувати ще й напругу, при цьому ми ще сильніше програватимемо в ККД. І, нарешті, по-третє, очевидно, що чим потужніший діод, тим менший номінал резистора для нього буде потрібний. Але з вищесказаного також очевидно, що стабілізуюча здатність резистора безпосередньо залежить від його номіналу, причому прямо пропорційно. Словом, очевидно, що живити потужні діоди через резистор вкрай небажано.
Подивимося тепер, як можна виправити ці недоліки. Потужність, що виділяється на резистори, можна скоротити, зменшуючи падіння напруги на ньому. Цього можна досягти, підбираючи кількість включених послідовно з ним світлодіодів таким чином, щоб максимально наблизити сумарне падіння напруги на них до джерела живлення. Тим не менш, ясно, що це пройде лише з малопотужними діодами, які не надто чутливі до стабільності струму. А от решти недоліків без зміни схемотехніки уникнути неможливо.
Ідучи шляхом удосконалення можна використовувати мікросхему на кшталт LM317 для стабілізації струму — це дозволить не замислюватися про значення прямої напруги на світлодіодах і поліпшити стабільність струму в порівнянні з резистором, але навіть у такому вигляді стабілізатор розсіюватиме занадто багато тепла, так як у кращому випадку на LM317 падатиме десь 3В. При цьому тепловиділення складе щонайменше близько вата, що теж багато, враховуючи що світлодіод, який ми збираємося використовувати, також споживає близько вата. Тобто, використовуючи лінійний стабілізатор, ми втрачаємо можливість підключити як мінімум ще один світлодіод.
А чи є інше рішення, вільне та від підвищеноготепловиділення? Виявляється, є! У всіх попередніх варіантах ми стабілізували струм, скидаючи надлишок енергії у вигляді тепла на регулюючому елементі. Тим часом існує інший підхід до стабілізації: спочатку ми беремо потрібну нам порцію енергії від джерела, а потім передаємо її споживачеві вже при іншій напрузі та струмі, зберігається лише кількість енергії. За такого підходу ККД часто перевалює за 90%. Цей принцип реалізується в так званих імпульсних стабілізаторах, якими є більшість драйверів потужних світлодіодів. По суті це джерела напруги зі зворотним зв'язком по струму - тобто вони самі підлаштовують вихідну напругу так, щоб струм у зовнішньому ланцюгу був постійний.
Власне, імпульсні драйвери є найкращим вибором. Докладніше принципи стабілізації розглянуті у моїй наступній статті.