Простые линейные стабилизаторы тока для светодиодов своими руками. Источники питания светодиодов для светильников, используемых в помещениях Бестрансформаторная понижающая топология
На сегодняшний день существуют сотни разновидностей светодиодов, отличающихся внешним видом, цветом свечения и электрическими параметрами. Но всех их объединяет общий принцип действия, а значит, и схемы подключения к электрической цепи тоже базируются на общих принципах. Достаточно понять, как подключить один индикаторный светодиод, чтобы затем научиться составлять и рассчитывать любые схемы.
Распиновка светодиода
Прежде чем перейти к рассмотрению вопроса о правильном подключении светодиода, необходимо научиться определять его полярность. Чаще всего индикаторные светодиоды имеют два вывода: анод и катод. Гораздо реже в корпусе диаметром 5 мм встречаются экземпляры, имеющие 3 или 4 вывода для подключения. Но и с их распиновкой разобраться тоже несложно.
SMD-светодиоды могут иметь 4 вывода (2 анода и 2 катода), что обусловлено технологией их производства. Третий и четвёртый выводы могут быть электрически незадействованными, но использоваться в качестве дополнительного теплоотвода.
Приведенное расположение выводов не является стандартом. Для вычисления полярности лучше сначала заглянуть в datasheet, а затем подтвердить увиденное мультиметром. Визуально определить полярность SMD-светодиода с двумя выводами можно по срезу. Срез (ключ) в одном из углов корпуса всегда расположен ближе к катоду (минусу). 
Простейшая схема подключения светодиода
Нет ничего проще, чем подключить светодиод к низковольтному источнику постоянного напряжения. Это может быть батарейка, аккумулятор или маломощный блок питания. Лучше, если напряжение будет не менее 5 В и не более 24 В. Такое подключение будет безопасным, а для его реализации понадобится лишь 1 дополнительный элемент – маломощный резистор. Его задача – ограничить ток, протекающий через p-n-переход на уровне не выше номинального значения. Для этого резистор всегда устанавливают последовательно с излучающим диодом. 
Всегда соблюдайте полярность при подключении светодиода к источнику постоянного напряжения (тока).
Если из схемы исключить резистор, то ток в цепи будет ограничен только внутренним сопротивлением источника ЭДС, которое очень мало. Результатом такого подключения станет мгновенный выход из строя излучающего кристалла.
Расчёт ограничительного резистора
Взглянув на вольт-амперную характеристику светодиода, становится понятно: насколько важно не ошибиться при расчёте ограничительного резистора. 
Даже небольшой рост номинального тока приведёт к перегреву кристалла и, как следствие, к снижению рабочего ресурса. Выбор резистора производят по двум параметрам: сопротивлению и мощности. Сопротивление рассчитывают по формуле: 
- U – напряжение питания, В;
- U LED – прямое падение напряжения на светодиоде (паспортное значение), В;
- I – номинальный ток (паспортное значение), А.
Полученный результат следует округлить до ближайшего номинала из ряда Е24 в большую сторону, а затем рассчитать мощность, которую должен будет рассеивать резистор:
R – сопротивление резистора, принятого к установке, Ом.
Более подробную информацию о расчётах с практическими примерами можно получить в статье . А тот, кто не желает погружаться в нюансы, может быстро рассчитать параметры резистора с помощью онлайн-калькулятора.
Включение светодиодов от блока питания
Речь пойдёт о блоках питания (БП), работающих от сети переменного тока 220 В. Но даже они могут сильно отличаться друг от друга выходными параметрами. Это могут быть:
- источники переменного напряжения, внутри которых есть только понижающий трансформатор;
- нестабилизированные источники постоянного напряжения (ИПН);
- стабилизированные ИПН;
- стабилизированные источники постоянного тока (светодиодные драйверы).
Подключить светодиод можно к любому из них, дополнив схему нужными радиоэлементами. Чаще всего в качестве блока питания применяют стабилизированные ИПН на 5 В или 12 В. Данный тип БП подразумевает, что при возможных колебаниях напряжения сети, а также при изменении тока нагрузки в заданном диапазоне напряжение на выходе изменяться не будет. Это преимущество позволяет подключать к БП светодиоды, используя только резисторы. И именно такой принцип подключения реализован в схемах с индикаторными светодиодами. 
Подключение мощных светодиодов и нужно производить через стабилизатор тока (драйвер). Несмотря на их более высокую стоимость, только так можно гарантировать стабильную яркость и продолжительную работу, а также исключить преждевременную замену дорогостоящего светоизлучающего элемента. 
Такое подключение не требует наличия дополнительного резистора, а светодиод присоединяется непосредственно к выходу драйвера с соблюдением условия: 
- I драйвера - ток драйвера по паспорту, А;
- I LED - номинальный ток светодиода, А.
При несоблюдении условия, подключенный светодиод перегорит от перегрузки по току.
Последовательное подключение
Собрать рабочую схему на одном светодиоде – несложно. Другое дело, когда их несколько. Как правильно подключить 2, 3 … N светодиодов? Для этого нужно научиться рассчитывать более сложные схемы включения. Схема последовательного подключения представляет собой цепь из нескольких светодиодов, в которой катод первого светодиода соединен с анодом второго, катод второго с анодом третьего и так далее. Через все элементы схемы течёт ток одинаковой величины:
А падения напряжений суммируются:
Исходя из этого, можно сделать выводы:
- объединять в последовательную цепь целесообразно только светодиоды с одинаковым рабочим током;
- при выходе из строя одного светодиода произойдёт обрыв цепи;
- количество светодиодов ограничено напряжением БП.
Параллельное подключение
Если от БП с напряжением, например, 5 В, необходимо зажечь несколько светодиодов, то их придется соединить между собой параллельно. При этом последовательно с каждым светодиодом нужно поставить резистор. 
Формулы для расчёта токов и напряжений примут следующий вид: 
Таким образом, сумма токов в каждой ветви не должна превышать максимально допустимый ток БП. При параллельном подключении однотипных светодиодов достаточно рассчитать параметры одного резистора, а остальные – будут такого же номинала.
Все правила последовательного и параллельного подключения, наглядные примеры, а также информацию о том, как нельзя включать светодиоды, можно найти в .
Смешанное включение
Разобравшись со схемами последовательного и параллельного подключения, пришло время комбинировать. Один из вариантов комбинированного подключения светодиодов показан на рисунке. 
Кстати, именно так устроена каждая светодиодная лента.
Включение в сеть переменного тока
Подключать светодиоды от БП не всегда целесообразно. Особенно, если речь идёт о необходимости сделать подсветку выключателя или индикатор наличия напряжения в сетевом удлинителе. Для подобных целей достаточно будет собрать одну из простых . Например, схема с токоограничительным резистором и выпрямительным диодом, защищающим светодиод от обратного напряжения. 
Сопротивление и мощность резистора вычисляют по упрощённой формуле, пренебрегая падением напряжения на светодиоде и диоде, так как оно на 2 порядка меньше напряжения сети: 
Из-за большой мощности рассеивания (2–5 Вт), резистор часто заменяют неполярным конденсатором. Работая на переменном токе, он как бы «гасит» лишнее напряжение и почти не нагревается.
Подключение мигающих и многоцветных светодиодов
Внешне мигающие светодиоды ничем не отличаются от обычных аналогов и могут мигать одним, двумя или тремя цветами по заданному производителем алгоритму. Внутреннее отличие состоит в наличии под корпусом ещё одной подложки, на которой расположен интегральный генератор импульсов. Номинальный рабочий ток, как правило, не превышает 20 мА, а падение напряжения может варьироваться от 3 до 14 В. Поэтому перед подключением мигающего светодиода нужно ознакомиться с его характеристиками. Если их нет, то узнать параметры можно экспериментальным путём, подключившись к регулируемому БП на 5–15 В через резистор сопротивлением 51-100 Ом.
В корпусе многоцветного расположены 3 независимых кристалла зелёного, красного и синего цвета. Поэтому при расчёте номиналов резисторов нужно помнить, что каждому цвету свечения соответствует своё падение напряжения.
Ещё раз о трёх важных моментах
- Прямой номинальный ток – главный параметр любого светодиода. Занижая его, мы теряем в яркости, а завышая – резко сокращаем срок службы. Поэтому лучшим источником питания является светодиодный драйвер, при подключении к которому через светодиод всегда будет протекать постоянный ток нужной величины.
- Напряжение, приведенное в datasheet к светодиоду, не является определяющим и лишь указывает на то, сколько вольт упадёт на p-n-переходе при протекании номинального тока. Его значение необходимо знать для того, чтобы правильно вычислить сопротивление резистора, если светодиод будет работать от обычного БП.
- Для подключения мощных светодиодов важно не только надёжное электропитание, но и качественная система охлаждения. Установка на радиатор светодиодов с мощностью потребления более 0,5 Вт станет залогом их стабильной и продолжительной работы.
Читайте так же
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 .
Несмотря на объективные проблемы с внедрением светодиодного освещения, все больше предприятий занимаются разработкой и производством полупроводниковых осветительных приборов. Научно-производственная фирма «Плазмаинформ» вышла на этот рынок в 2010 г. и в настоящее время позиционирует себя разработчиком и серийным производителем источников тока для светодиодных светильников.
Источники питания (ИП) светодиодов - важнейшая часть полупроводникового светильника, во многом определяющая функциональные, светотехнические показатели и надежность осветительного устройства. Для компаний, занимающихся проектированием и установкой систем освещения, помимо светового потока и цветовой температуры важны и такие характеристики, как электробезопасность, КПД, коэффициент мощности, коэффициент пульсаций светового потока, электромагнитная совместимость и стоимость. В результате сотрудничества НПФ «Плазмаинформ» с рядом предприятий, разрабатывающих и производящих осветительные приборы, появились на свет и были запущены в серийное производство источники тока открытого исполнения, обеспечивающие электрические мощности 15, 20, 30, 35, 50 и 100 Вт.
Анализ ИП для светодиодных светильников, выпускаемых рядом фирм, показывает, что схемотехника источников тока определяется требуемой выходной мощностью светильника: если она менее 60 Вт, то обычно выбирается обратноходовой корректор коэффициента мощности (ККМ) со стабилизацией выходного тока. При более высокой выходной мощности используется отдельный ККМ и отдельный преобразователь со стабилизацией выходного тока и гальванической развязкой вход/выход, выполняемый по схемотехнике обратноходового, прямоходового или резонансного LLC-типа. Преобразователи без гальванической развязки (понижающего типа, SEPIC и др.) с точки зрения обеспечения безопасности при эксплуатации светодиодных светильников не имеют широкого распространения.
При разработке большое внимание было уделено таким параметрам, как пульсации выходного тока, электромагнитная совместимость (ЭМС) и стоимость. Выбор пульсаций выходного тока, определяется требованиями к пульсациям светового потока, которые регламентируются стандартами и составляют для светильников общего назначения 10–20%, а для настольных светильников при длительной работе за компьютером - 5–10%. Для уличных светильников пульсации светового потока не регламентированы и должны задаваться для каждого конкретного применения.
Учитывая, что светильники могут подключаться к электрическим сетям достаточно большой протяженности, к которым может быть подсоединено сильноточное оборудование, источники питания должны выдерживать испытательное напряжение 1,5 кВ провод–провод и провод–корпус, а также наносекундные и микросекундные импульсные выбросы и провалы амплитудой до 1,0 кВ. Кроме того, к тем же электрическим сетям могут быть подключены телевизоры, приемники и другая чувствительная к помехам аппаратура. Поэтому необходимо обеспечить соответствие ИП следующим основным стандартам по ЭМС: ГОСТ Р 51318.15- 99, ГОСТ Р 51514-99, ГОСТ Р 51317.3.2.2006 (раздел 6, 7), ГОСТ Р 51317.3.3.2008, ГОСТ Р 51317.4.2.99, ГОСТ Р 51317.4.4.2007, ГОСТ Р 51317.4.5.99, ГОСТ Р 51317.4.6.99, ГОСТ Р 51317.4.11.2007.
Источники PSL (Power Supply Led) выполнены по схеме обратноходового корректора коэффициента мощности со стабилизацией выходного тока и ограничением напряжения. Типовая блок-схема приведена на рис. 1. Основой преобразователя является контроллер ККМ, управляющий силовым ключом и обеспечивающий коэффициент мощности выше 0,9. Осциллограммы входного напряжения и тока, а также действующие и предельные значения гармоник тока источника PSL50 приведены на рис. 2 и 3. Фильтр ЭМС обеспечивает электромагнитную совместимость в соответствии со стандартами на светильники.
Рис. 1. Блок-схема источника
Рис. 2. Осциллограммы входного напряжения и тока PSL50
Рис. 3. Действующие и предельные значения гармоник входного тока PSL50
В качестве примера в таблице 1 приведен уровень радиопомех на сетевых зажимах PSL50 в диапазоне частот 0,009–30 МГц (квазипиковые значения).
Т а б л и ц а 1 . Уровень радиопомех PSL50
| Частота, МГц | Величина напряжения радиопомех, дБ (мкВ) |
|
| Измеренная | Допустимая (норма) |
|
| 0,009 | 56 | 110 |
| 0,04 | 25 | 92 |
| 0,15 | 37 | 66 |
| 0,16 | 35 | 65,5 |
| 0,24 | 21 | 62,1 |
| 0,55 | 13 | 55,2 |
| 1 | на уровне шумов |
56 |
| 3,5 | 11 | 56 |
| 6 | 31 | 56 |
| 7,7 | 37 | 56 |
| 10 | 32 | 60 |
| 15,6 | 51 | 60 |
| 28 | 42 | 60 |
| 30 | 41 | 60 |
Выходной фильтр обеспечивает необходимый уровень пульсаций выходного тока и, соответственно, пульсаций светового потока. Уровень и форма пульсаций токов и напряжений для двух номиналов выходного фильтра PSL50 приведены на рис. 4–7.
Рис. 4. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА) |
Рис. 5. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 300 мкФ (постоянная составляющая 120 В) |
Рис. 6. Пульсации выходного тока на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (10 мВ соответствуют 100 мА) |
Рис. 7. Пульсации выходного напряжения на номинальной нагрузке. Емкость фильтра 500 мкФ (постоянная составляющая 120 В) |
Осциллограммы показывают, что увеличение выходной емкости на 60% уменьшает пульсации тока в два раза и соответственно снижает пульсации светового потока, поскольку зависимость между ними практически линейная. При включении источники обеспечивают плавную подачу напряжения в течение 50 мс. Форма выходного напряжения при старте PSL50 приведена на рис. 8.
Рис. 8. Выходное напряжение PSL50 в момент включения
Усилитель сигнала ошибки (УСО) по току обеспечивает формирование сигнала ошибки, поддерживая ток через светодиоды на заданном уровне. УСО по напряжению ограничивает выходное напряжение на холостом ходу. Блок гальванической развязки предназначен для передачи сигнала ошибки на контроллер, в первичную цепь. Демпфер ограничивает выброс напряжения на стоке силового ключа, что позволяет использовать более низковольтный и дешевый транзистор.
Питанием источника является сеть переменного тока. Гальваническая развязка входных и выходных цепей между собой и корпусом выдерживает 1,5 кВ и обеспечивает безопасность эксплуатации. Источники соответствуют отечественным и международным нормам в части ЭМС. Имеется встроенная защита от короткого замыкания на выходе, обеспечивается работа на холостом ходу. Основные технические характеристики источников приведены в таблице 2.
Т а б л и ц а 2 . Параметры источников питания
| Наименование параметра | Тип источника | |||||
| PSL15 | PSL20 | PSL30 | PSL35 | PSL50 | PSL100 | |
| Напряжение питания | 176–264 В, 50/60 Гц | |||||
| Максимальная мощность, Вт | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| Диапазон выходного напряжения, В | 24–32 | 36–48 | 44–50 | 25–38 | 100–144 | 200–300 |
| Выходной ток, мА | 500±30 | 360±20 | 600±20 | 900±30 | 360±20 | 370±20 |
| Нестабильность выходного тока, % (не более) |
5 | 5 | 5 | 5 | 5 | 5 |
| Пульсации выходного тока, % (не более) |
20 | 20 | 20 | 20 | 10 | 10 |
| Коэффициент полезного действия, % (не менее) |
85 | 85 | 85 | 85 | 90 | 90 |
| Коэффициент мощности, % (не менее) |
90 | 90 | 90 | 90 | 97 | 95 |
| Рабочая температура, °C | –25…+65 | 0…+40 | 0…+40 | 0…+40 | 0…+40 | –45…+60 |
| Средний ресурс, ч | 50 000 | |||||
| Габаритные размеры, мм (не более) | 135×40×25 | 145×30×25 | 145×30×25 | 145×30×25 | 160×33×25 | 180×40×36 |
| Масса, г (не более) | 100 | 100 | 100 | 100 | 110 | 160 |
Внешний вид PSL15, PSL35, PSL50 и PSL100 приведен на рис. 9–12 соответственно. Источники PSL20 и PSL30 имеют конструктивное исполнение, аналогичное PSL35.
Рис. 9. Источник PSL15 |
Рис. 10. Источник PSL35 |
Рис. 11. Источник PSL50 |
Рис. 12. Источник PSL100 |
Для специальных конструкций светильников разработан недорогой сетевой неизолированный источник тока мощностью 9 Вт (PSL9). Он представляет собой понижающий преобразователь с пассивной коррекцией коэффициента мощности. Схема источника приведена рис. 13, внешний вид - на рис. 14. Основа источника - микросхема драйвера HV9910. Цепочка С1– VD2–VD3–VD4–C2 - пассивный ККМ. Выходной ток задается резисторами R4, R5, R6. C3 - выходной фильтрующий конденсатор. Параметры источника PSL9 приведены в таблице 3.
Рис. 13. Схема PSL9
Рис. 14. Источник PSL9
Т а б л и ц а 3 . Параметры источника PSL9
| Напряжение питания | 176–264 В, 50/60 Гц |
| Коэффициент полезного действия, % (не менее) | 80 |
| Коэффициент мощности, % (не менее) | 84 |
| Минимальное выходное рабочее напряжение, В | 20 |
| Максимальное выходное рабочее напряжение, В | 32 |
| Максимальное напряжение холостого хода, В | 350 |
| Стабилизированный выходной ток, мА | 350±10 |
| Нестабильность выходного тока, % (не более) | 5 |
| Пульсации выходного тока, % (не более) | 15 |
| Габаритные размеры (Д×Ш×В), мм | 45×33×25 |
| Диапазон рабочих температур, °С | 0…+40 |
Светильники, в конструкции которых использованы PSL9, PSL15, PSL30, PSL100, проходят опытную эксплуатацию. Светильники с PSL20, PSL35 и PSL50 выпускаются серийно.
Выбранная схема построения источников питания позволяет без больших затрат модифицировать конструкцию для получения других значений выходного напряжения и тока в пределах заявленной мощности, обеспечивая питание светильников с иной схемой включения светодиодов.
Главным электрическим параметром светодиодов (LED) является их рабочий ток. Когда в таблице характеристик светодиода мы встречаем рабочее напряжение, то нужно понимать, что речь идет о падении напряжения на светодиоде при протекании рабочего тока. То есть рабочий ток определяет рабочее напряжение LED. Поэтому только стабилизатор тока для светодиодов может обеспечить их надежную работу.
Назначение и принцип работы
Стабилизаторы должны обеспечивать постоянный рабочий ток светодиодов когда в сети питания есть проблемы с отклонением напряжения от нормы (вам будет интересно узнать, ). Стабильный рабочий ток в первую очередь необходим для защиты LED от перегрева. Ведь при превышении максимально допустимого тока, светодиоды выходят из строя. Также стабильность рабочего тока обеспечивает постоянство светового потока прибора, например, при разряде аккумуляторных батарей или колебаниях напряжения в питающей сети.
Стабилизаторы тока для светодиодов имеют разные виды исполнения, а обилие вариантов схем исполнения радует глаз. На рисунке приведены три самые популярные схемы стабилизаторов на полупроводниках.
- Схема а) — Параметрический стабилизатор. В этой схеме стабилитрон задает постоянное напряжение на базе транзистора, который включен по схеме эмиттерного повторителя. Благодаря стабильности напряжения на базе транзистора, напряжение на резисторе R тоже постоянно. В силу закона Ома ток на резисторе также не меняется. Так как ток резистора равен току эмиттера, то стабильны токи эмиттера и коллектора транзистора. Включая нагрузку в цепь коллектора, мы получим стабилизированный ток.
- Схема б). В схеме, напряжение на резисторе R стабилизируется следующим образом. При увеличении падения напряжения на R, больше открывается первый транзистор. Это приводит к уменьшению тока базы второго транзистора. Второй транзистор немного закрывается и напряжение на R стабилизируется.
- Схема в). В третьей схеме ток стабилизации определяется начальным током полевого транзистора. Он не зависит от напряжения, приложенного между стоком и истоком.
В схемах а) и б) ток стабилизации определяется номиналом резистора R. Применяя вместо постоянного резистора подстрочный можно регулировать выходной ток стабилизаторов.
Производители электронных компонентов производят множество микросхем стабилизаторов для светодиодов. Поэтому в настоящее время в промышленных изделиях и в радиолюбительских конструкциях чаще применяются стабилизаторы в интегральном исполнении. Почитать про все возможные способы подключения светодиодов можно .
Обзор известных моделей
Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.
Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.
Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R set .
Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.
Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.
Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.
Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.
Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.
Стабилизатор на LM317
В качестве стабилизатора тока для светодиодов можно использовать не только специализированные микросхемы. Большой популярностью у радиолюбителей пользуется схема LM317.
LM317 представляет собой классический линейный стабилизатор напряжения имеющий множество аналогов. В нашей стране эта микросхема известна как КР142ЕН12А. Типовая схема включения LM317 в качестве стабилизатора напряжения показана на рисунке.
Для превращения этой схемы в стабилизатор тока достаточно исключить из схемы резистор R1. Включение LM317 в качестве линейного стабилизатора тока выглядит следующим образом.
Выполнить расчет этого стабилизатора довольно просто. Достаточно вычислить номинал резистора R1, подставив значение тока в следующую формулу:
Мощность, рассеиваемая на резисторе равна:
Регулируемый стабилизатор
Предыдущую схему легко превратить в регулируемый стабилизатор. Для этого нужно постоянный резистор R1 заменить на потенциометр. Схема будет выглядеть так:
Как сделать стабилизатор для светодиода своими руками
Во всех приведенных схемах стабилизаторов используется минимальное количество деталей. Поэтому самостоятельно собрать подобные конструкции сможет даже начинающий радиолюбитель освоивший навыки работы с паяльником. Особенно просты конструкции на LM317. Для их изготовления даже не нужно разрабатывать печатную плату. Достаточно припаять подходящий резистор между опорным выводом микросхемы и ее выходом.
Также к входу и выходу микросхемы нужно припаять два гибких проводника и конструкция будет готова. В случае, если с помощью стабилизатора тока на LM317 предполагается питать мощный светодиод, микросхему нужно оснастить радиатором который обеспечит отвод тепла. В качестве радиатора можно использовать небольшую алюминиевую пластинку площадью 15-20 квадратных сантиметров.
Изготавливая конструкции бустеров, в качестве дросселей можно использовать катушки фильтров различных блоков питания. Например, для этих целей хорошо подойдут ферритовые кольца от блоков питания компьютеров, на которые следует намотать несколько десятков витков эмалированного провода диаметром 0.3 мм.
Какой стабилизатор использовать в авто
Сейчас автолюбители часто занимаются модернизацией светотехники своих машин, применяя для этих целей светодиоды или светодиодные ленты (читайте, ). Известно, что напряжение бортовой сети автомобиля может сильно меняться в зависимости от режима работы двигателя и генератора. Поэтому в случае с авто особенно важно применять не стабилизатор 12 вольт, а рассчитанный на конкретный тип светодиодов.
Для автомобиля можно посоветовать конструкции на основе LM317. Также можно использовать одну из модификаций линейного стабилизатора на двух транзисторах, в которой в качестве силового элемента использован мощный N-канальный полевой транзистор. Ниже приведены варианты подобных схем, в том числе и схема .
Вывод
Подводя итог можно сказать, что для надежной работы светодиодных конструкций их необходимо питать с помощью стабилизаторов тока. Многие схемы стабилизаторов просты и доступны для изготовления своими руками. Мы надеемся, что приведенные в материале сведения будут полезны всем, кто интересуется данной темой.