Светодиодный драйвер: принцип работы и правила подбора. Драйвер или блок питания для светодиодов? Источник тока для питания светодиодов

Рассмотрены основные требования к источникам питания для светодиодных светильников, как самых оптимальных с точки зрения эффективности, надежности, экологии. Рассмотрены требования к входному току и возможные пути удовлетворения требований ГОСТ. Рассмотрены требования к выходным параметрам с учетом специфики нагрузки. Предложена топология преобразователя, удовлетворяющая всем рассмотренным требованиям с минимальными материальными затратами.

Замечено, что повышение благосостояния любой цивилизации приводит к увеличению количества потребляемой энергии в разных ее формах. Так было всегда, с самых первобытных племен и по настоящее время, и нет никаких оснований сомневаться в том, что так будет продолжаться и дальше, по крайней мере, в ближайшем будущем. Общий рост потребления энергии распространяется и на электрическую энергию, как на самый удобный вид энергии с точки зрения производства, использования и доставки потребителю, не говоря уже об экологии в местах ее использования. При увеличении потребления сразу же возникают проблемы, связанные с доставкой электроэнергии потребителю. Ограниченная пропускная способность существующих электрических сетей вынуждает искать пути для повышения эффективности передачи и использования электрической энергии.

Известно, что в жилых и непроизводственных зданиях, составляющих львиную долю потребителей, значительная часть от всей потребляемой электроэнергии (около 50%) расходуется на освещение. Поэтому повышение эффективности светильников существенно влияет на общие потери в проводах и на пропускную способность сети. Сравнение характеристик разных типов современных светильников (табл. 1) показывает, что так называемая «лампочка Ильича» – это светильник ХХ века, уже ушедшего в историю. Новый, ХХI век требует применения новых, эффективных решений.

Как видно из таблицы 1, замена традиционных ламп накаливания на люминесцентные лампы и современные светодиоды может сократить затраты энергии на освещение в 4…5 раз. Но уменьшится ли при этом нагрузка на электрическую сеть?

На рисунке 1 представлены осциллограммы тока потребления различных люминесцентных ламп (1а – лампа с пускорегулирующим устройством в цоколе без дросселя, 1б, 1в – лампы с дросселем). Из рисунка видно, что все люминесцентные лампы имеют низкий коэффициент мощности: без дросселя – за счет больших гармонических искажений тока, с дросселем – за счет огромного сдвига по фазе. В результате при равной яркости свечения люминесцентные лампы потребляют значительно меньшую активную мощность, но создают нагрузку на сеть даже большую, чем лампа накаливания равной яркости. Конечно, это позволяет экономить топливо, сжигаемое в печах электростанций, но совершенно не решает проблему доставки электроэнергии потребителю. В результате, в конечном счете все окажутся в убытке: владельцы электрических сетей (при максимальной нагрузке, которую могут выдержать сети, последние будут в состоянии передавать в 2…4 раза меньше активной мощности и, соответственно, приносить меньший доход), производители электроэнергии (генераторы электростанций при том же самом максимально допустимом токе обмоток генераторов будут вырабатывать меньшую полезную мощность) и, в конечном счете, потребители электроэнергии (совершив дополнительные затраты на установку экономичных светильников, потребители не смогут долго радоваться снижению затрат на освещение – электрические компании быстро отреагируют на снижение своих доходов и дружно откликнутся повышением тарифов). Чтобы повысить эффективность доставки электроэнергии, необходимо исключить бесполезный холостой пробег тока и передавать по проводам только активную мощность. Для решения этой задачи при импульсном потреблении тока, а также при ярко выраженном нелинейном или реактивном характере нагрузки необходимо применение одного из множества разновидностей корректоров коэффициента мощности (ККМ). Поскольку ККМ практически невозможно уместить в цоколе от лампы накаливания, простая замена лампы накаливания на более дорогую энергосберегающую люминесцентную лампу с таким же цоколем сократит на некоторое время расходы на освещение (при этом по причинам, изложенным выше, вряд ли дополнительные затраты успеют окупиться), но нисколько не убавит токовую нагрузку на сеть. Кроме того, поскольку сама люминесцентная лампа – вещь довольно громоздкая, да к тому же хрупкая и наполнена ядовитыми парами ртути, становится очевидным преимущество светодиодных светильников, лишенных указанных выше недостатков.

Особенности физических свойств светодиодов определяют специфические требования к источникам питания для светодиодной техники. Кроме того, чтобы действительно уменьшить нагрузку на электрическую сеть, то есть обеспечить высокий коэффициент мощности, источники должны соответствовать определенным требованиям по величине гармоник входного тока.

Проблема низкого коэффициента мощности существует столько же, сколько существуют электрические сети переменного тока. Повышающие и понижающие трансформаторы, электродвигатели переменного тока, включенные в большом количестве в электрическую сеть, создают значительную реактивную составляющую тока, в результате чего при довольно большом токе в проводах полезная мощность составляет малую часть от того, что можно было бы получить при чисто активной нагрузке. Действительно, при синусоидальном напряжении в сети в случае активной нагрузки ток в сети пропорционален напряжению:

Полезная мощность при этом составляет:

Коэффициент мощности, определяемый как отношение полезной мощности к произведению среднеквадратичных значений тока и напряжения, в данном случае равен:

При наличии реактивной составляющей, вызванной индуктивным характером нагрузки, ток отстает по фазе от напряжения:

Полезная мощность и коэффициент мощности при этом равны соответственно:

Итак, при синусоидальном токе коэффициент мощности равен пресловутому «косинусу фи», с которым должен быть хорошо знаком каждый, кто хорошо учился в средней школе. Однако отождествлять эти два понятия нельзя, поскольку коэффициент мощности может отличаться от 100% не только из-за сдвига по фазе между током и напряжением, но и из-за больших гармонических искажений тока. Если посмотреть с помощью осциллографа форму напряжения в любой электрической розетке, то сейчас никого уже не удивляет видимая невооруженным глазом особенность – верхушка синуса как бы срезана. Это объясняется большим распространением источников питания для персональных компьютеров, телевизоров и прочей бытовой техники, содержащих выпрямитель с накопительным конденсатором на своем входе и не содержащих при этом ККМ. Такие источники потребляют ток короткими импульсами в момент достижения сетевым напряжением своего амплитудного значения. В остальную часть периода сети потребления тока нет. Естественно, пиковое и среднеквадратичное значения тока в сети оказываются при этом значительно выше, чем в случае потребления в течение всего периода.

Для наглядности рассмотрим аппроксимацию тока потребления таких устройств в виде короткого прямоугольного импульса (рис. 2), точно совпадающего по фазе с напряжением сети, и будем предполагать, что коэффициент заполнения γ , то есть отношение длительности импульса к периоду его следования (в нашем случае – к половине периода сетевого напряжения) намного меньше единицы:

Поскольку импульс короткий и совпадает по времени с верхушкой синусоиды, мгновенное значение напряжения сети в течение всего импульса можно считать неизменным и равным амплитудному значению. При данном предположении потребляемая мощность и среднеквадратичное значение тока равны соответственно:

Коэффициент мощности при этом равен:

Нетрудно убедиться, что, например, при коэффициенте заполнения 1/8 коэффициент мощности уже равен 0,5 и будет тем меньше, чем меньше относительная длительность импульса. Если со сдвигом по фазе метод борьбы давно известен и везде применяется – включение в сеть конденсатора соответствующей емкости создает равную по величине и противоположную по знаку реактивную составляющую, которая компенсирует действие индуктивной нагрузки и уменьшает сдвиг по фазе до нуля, то с импульсным потреблением тока должен бороться сам потребитель, скомпенсировать его параллельным включением каких-либо дополнительных устройств нельзя. По своему действию на сеть импульсная нагрузка значительно хуже индуктивной, так как лишает сети переменного тока очевидного преимущества – отсутствия потерь в нулевом проводе. Если при сбалансированной нагрузке в трехфазной сети токи отстают по фазе от напряжения на один и тот же угол, они все равно взаимно компенсируются, и ток в нулевом проводе, равен нулю, потери выделяются только в фазных проводах, то при импульсном потреблении картина совсем иная. Импульсы тока потребления в каждой фазе не пересекаются по времени с импульсами в других фазах, и никакой взаимной компенсации токов в нулевом проводе не происходит. Напротив, в нулевом проводе складываются потери от тока каждой фазы, и его уже нельзя делать тонким. Напротив, при такой нагрузке его следует делать более мощным, чем фазные провода, потери в трехфазных сетях при этом удваиваются, а о передаче электроэнергии на большие расстояния с помощью трехпроводных линий электропередач без нулевого провода вообще не может быть и речи.

В нашей стране только в последнее время становится заметным влияние импульсного потребления и вызванные им неудобства. Значительно заметно это будет в ближайшем будущем в связи с централизованно организованным переходом от ламп накаливания к энергосберегающим лампам. Немногие захотят добровольно приобрести лампу, в 10…20 раз более дорогую, про которую известно, что она потребляет в 4…5 раз меньше электроэнергии (что похоже на правду и привлекает покупателя), и про которую говорят, что она прослужит во столько же раз дольше по сравнению с лампой накаливания, во сколько раз она дороже (в чем воспитанный нашей рекламой покупатель имеет полное право сомневаться). Гораздо охотнее будут раскупаться дешевые китайские лампы без ККМ, наводнившие наш рынок, и по мере дальнейшего введения запретов на производство ламп накаливания есть все основания ожидать, что мы в полной мере увидим все прелести импульсного потребления.

В более развитых странах с этой проблемой столкнулись несколько раньше, особенно остро она возникла в США, где стандартная сеть имеет напряжение 110 В. В Европе давно уже действуют нормы IEC 555-2 и множество произведенных от него стандартов, регламентирующих величину гармоник входного тока для устройств, питающихся от сети переменного тока. В России соответствующий стандарт ГОСТ Р 51317.3.2, содержащий аутентичный текст международного стандарта МЭК 61000‑3‑2‑(1995‑03), введен в действие 24 декабря 1999 г. В соответствии с этим стандартом все потребители до 16 А на фазу разделены на 4 класса со своими нормами на величину гармоник входного тока (по 40-ю гармонику включительно). К классу B относится портативное оборудование, к классу C относятся осветительное оборудование. Остальное оборудование разделено между классами A и D, одним из критериев деления является форма входного тока. Если форма тока укладывается в определенный стандартом шаблон в течение более 95% времени, то оборудование относится к классу D с более жесткими нормами, в котором допустимая величина гармоник входного тока зависит от входной мощности. Класс А устанавливает нормы на абсолютную величину гармоник входного тока независимо от входной мощности.

Для осветительного оборудования (класс С) установлены нормы на относительную величину гармоник входного тока. В соответствии со стандартом, вторая гармоника входного тока должна быть не более 2% от величины первой гармоники, третья – не более (30 ∙PF )%, где PF – коэффициент мощности изделия, пятая – 10%, седьмая – 7%, девятая –5%. Нормы на величину нечетных гармоник с 11 по 39 включительно установлены на уровне 3% от величины первой гармоники. Чтобы соответствовать требованиям стандарта, в состав оборудования включают дополнительный функциональный узел, называемый корректором коэффициента мощности (ККМ). Поскольку основная масса единиц осветительного оборудования на основе светодиодов не будет потреблять более 100 Вт, источник питания для светодиодов должен быть достаточно дешевый, что накладывает довольно жесткие ограничения на стоимость ККМ. Фактически, форма входного тока у источника питания для светодиодов может очень сильно отличаться от синусоидальной, главное, чтобы гармоники входного тока соответствовали требованиям ГОСТ, а стоимость самого ККМ была минимальной.

Наиболее популярным видом ККМ в маломощных источниках питания являются пассивные ККМ, основным преимуществом которых является их простота и низкая стоимость. В качестве примера пассивного ККМ на рисунке 3 представлена наиболее популярная диодно-кондесаторная схема.

Главный принцип действия пассивных корректоров – «растянуть» форму тока за пределы установленного в стандарте шаблона, таким образом, переводя преобразователь из класса D в класс A с менее жесткими нормами на величину гармоник входного тока (рисунок 4).

Как видно из рис. 4, пассивный ККМ обеспечивает форму тока, не укладывающуюся в шаблон для класса D, следовательно, оборудование может быть отнесено к классу А. Поскольку нормы в классе A установлены в абсолютных величинах независимо от величины входной мощности (нормы класса А соответствуют нормам класса D для мощности 600 Вт), такой тип корректоров вполне приемлем для маломощных преобразователей. Осветительное оборудование, однако, относится к классу C, в котором норма на гармоники входного тока установлена в относительных единицах по отношению к величине основной гармоники. Представленная на рисунке 3 форма тока значительно превышает нормы, установленные для класса C. По этой причине дешевые пассивные корректоры коэффициента мощности не могут быть использованы в осветительной аппаратуре. Для удовлетворения требований стандарта по гармоникам входного тока в нашем случае необходимо применение активного ККМ.

Классический ККМ в виде отдельного узла или отдельного модуля выполняется по схеме повышающего преобразователя (рис.5). Данный ККМ позволяет удовлетворить самые жесткие требования стандарта, но его применение существенно повышает стоимость изделия, что особенно заметно, если мощность источника не превышает 100…200 Вт, т.е. практически не подходят для подавляющего большинства светильников.

В поисках путей удешевления ККМ в 90-х годах прошлого века появились публикации, в которых предлагалось объединить функции силовых ключей ККМ и последующего преобразователя в одном силовом ключе (рис. 6), дополнив схему диодами и переведя ККМ и преобразователь в режим разрывных токов (так называемое «новое семейство»). Экономия одного ключа и его схемы управления достигается за счет повышенных токов и напряжения на основных силовых элементах схемы. Особенно неприемлемой оказалась зависимость напряжения на высоковольтном накопительном конденсаторе от изменения мощности нагрузки. Из-за этих недостатков «новое семейство» не получило практического применения.

В последнее время появились также публикации о резонансных преобразователях с ККМ с двумя накопительными конденсаторами и несколькими магнитосвязанными обмотками трансдросселя, в которых ток перетекает резонансным образом из одной накопительной емкости в другую и затем, через выходную обмотку трансдросселя, в нагрузку. В этих преобразователях используется один ключ, а входной дроссель ККМ и изолирующий трансформатор объединены на общем сердечнике в один моточный компонент. Данная топология из-за множества магнитных связей практически не поддается аналитическому описанию, попытки публикаций грешат множеством неточностей. Из публикаций видно, что преобразователь работает, и видно, что начальные предположения при анализе приводят к противоречию работы преобразователя и результатам анализа, вытекающих из сделанных предположений. Применение режима разрывных токов и резонансного принципа работы подразумевает повышенные требования по току к накопительным конденсаторам, однако, если производитель правильно подберет компоненты и сумеет обеспечить высокую повторяемость при серийном производстве, данная топология вполне имеет право на практическое применение.

Альтернативой ККМ являются преобразователи, устроенные таким образом, что их входной ток приблизительно пропорционален входному напряжению. Из таких преобразователей наиболее подходящим для питания светодиодов, с точки зрения авторов, является вариант преобразователя без накопительного конденсатора на первичной стороне. На рисунке 7 представлена версия на основе обратноходового преобразователя.

Преобразователь работает в граничном режиме. Функцию накопительного конденсатора выполняют емкости на выходе преобразователя. Повышенные требования по току конденсаторов здесь окупаются простотой и низкой ценой, а наличие небольшой пульсации выходного напряжения на удвоенной частоте сети вполне допустимо при питании осветительного оборудования. Расчетная форма тока представлена на рис. 8. Теоретически коэффициент мощности такого преобразователя равен 0,99, при этом расчетный состав гармоник входного тока с большим запасом удовлетворяет требованиям класса С.

Специфика нагрузки при определяет специфические требования к выходной части преобразователей. В основном, по своим выходным параметрам источники питания для светодиодного освещения не должны сильно отличаться от стандартных коммерческих преобразователей. Отличительными чертами являются:

1. Не всегда требуется гальваническая развязка между входными и выходными цепями.

2. Появилась новая опция – dimming.

3. Поскольку светодиоды питаются током, а не напряжением, на рынке требуются преобразователи – источники тока. Источники напряжения также востребованы для питания устройств, содержащих несколько «гирлянд» со своими регуляторами.

4. Более мягкие требования к пульсациям выходного напряжения, особенно на высокой частоте.

Требования по пульсациям на удвоенной частоте сети определяются санитарными нормами СанПиН 2.2.1/2.1.1.1278‑03, устанавливающими для обширного класса помещений жилых и общественных зданий нормы на коэффициент пульсации освещенности в пределах 10…20%. При освещении помещений, для которых коэффициент пульсации освещенности не нормируется, следует помнить, что при питании светодиодов импульсным током их эффективность заметно снижается. В этом можно убедиться на простом примере. Для типового светодиода зависимость светового потока от тока имеет ярко выраженный логарифмический характер. В качестве примера рассмотрим типовую характеристику диода CLN6A (Рис. 9).

При питании светодиода током 600 мА световой поток больше потока при токе 300 мА приблизительно в 1,5 раза. Следовательно, при питании светодиода импульсным током со скважностью 0,5 и средним значением 300 мА световой поток будет составлять только 0,75 от величины потока при питании постоянным током с тем же средним значением. Это говорит о том, что пульсации напряжения на выходе должны быть в разумных пределах и не следует пытаться обойтись без конденсаторов при построении преобразователя напряжения, причем, принимая во внимание специфику нагрузки, а именно весьма высокую крутизну вольтамперной характеристики светодиодов в рабочей точке, емкость конденсаторов должна быть достаточно большой, чтобы удержать пульсацию выходного напряжения в разумных пределах. Если пульсации тока на частоте коммутации можно значительно уменьшить с помощью дросселя, включенного последовательно с нагрузкой, то на частоте сети требуемая величина дросселя может оказаться сравнимой с размерами преобразователя вместе с нагрузкой. Исходя из вышеизложенного, любому человеку, которого можно назвать разумным, ясно, что светодиоды следует соединять последовательно: во-первых, при последовательном соединении их дифференциальные сопротивления складываются, что облегчает требования к пульсациям выходного напряжения, во-вторых, при равной мощности нагрузки выходные конденсаторы намного эффективнее работают на высоких напряжениях – можно обойтись одним или двумя конденсаторами, в то время, как на низких напряжениях требуется целая батарея таких же по объему конденсаторов. Преимущества высокого выходного напряжения особенно заметны в преобразователях, в которых выходные конденсаторы несут большую токовую нагрузку

На основе топологии без накопительного конденсатора на первичной стороне в ЗАО «ММП-Ирбис» был разработан ряд источников питания для светодиодов с выходной мощностью до 100 Вт. На рис. 10 представлена осциллограмма входного тока источника с максимальной выходной мощностью 40 Вт (номинальный ток нагрузки 0,12 А), полученная при следующих условиях:

• входное напряжение 220,6 В (действ.)
• выходное напряжение 300 В
• ток нагрузки 114 мА
• входной ток 0,191 А (действ.)
• потребляемая мощность 40 Вт.

Хотя форма входного тока заметно отличается от синусоидальной, относительная величина гармоник входного тока с большим запасом удовлетворяет нормам, установленным для осветительного оборудования (Рис. 11). Значение коэффициента мощности, полученное по результатам измерений, составляет 0,95; коэффициент полезного действия равен 85,5%.

Выводы

По совокупности требований по экономичности, долговечности, экологическим свойствам наиболее предпочтительными выглядят светильники на основе светодиодов. С учетом специфики применения, источники питания для светодиодного освещения должны удовлетворять определенным требованиям как по качеству входного тока, так и по выходным характеристикам. Кроме того, источники питания должны содержать минимальное количество электронных компонентов, чтобы сохранить стоимость светильника в разумных пределах. Топология обратноходового AC/DC преобразователя без накопительного конденсатора на первичной стороне удовлетворяет всем требованиям и выглядит оптимальной для построения светодиодных светильников с потребляемой мощностью до 100 Вт.

Известно, что яркость светодиода очень сильно зависит от протекающего через него тока. В то же время ток светодиода очень круто зависит от питающего напряжения. Отсюда возникают заметные пульсации яркости даже при незначительной нестабильности питания.

Но пульсации - это не страшно, гораздо хуже то, что малейшее повышение питающего напряжения может привести к настолько сильному увеличению тока через светодиоды, что они просто выгорят.

Чтобы этого не допустить, светодиоды (особенно мощные) обычно запитывают через специальные схемы - драйверы, которые по сути своей являются стабилизаторами тока. В этой статье будут рассмотрены схемы простых стабилизаторов тока для светодиодов (на транзисторах или распространенных микросхемах).

Есть еще очень похожие светодиоды - SMD 5730 (без единички в названии). У них мощность всего 0.5 Вт и максимальный ток 0.18 А. Так что не перепутайте.

Так как при последовательном подключении светодиодов общее напряжение будет равно сумме напряжений на каждом из светодиодов, то минимальное напряжение питания схемы должно быть: Uпит = 2.5 + 12 + (3.3 х 10) = 47.5 Вольт.

Рассчитать сопротивление и мощность резистора под другие значения тока можно с помощью простенькой программки Regulator Design (скачать).

Очевидно, что чем выше выходное напряжение стабилизатора, тем больше тепла будет выделяться на токозадающем резисторе и, следовательно, тем хуже КПД. Поэтому для наших целей лучше подойдет LM7805, чем LM7812.

LM317

Не менее эффективным получается линейный стабилизатор тока для светодиодов на LM317 . Типовая схема включения:

Простейшая схема включения LM317 для светодиодов, позволяющая собрать мощный светильник, состоит из выпрямителя с емкостным фильтром, стабилизатора тока и 93 светодиодов SMD 5630 . Здесь применены MXL8-PW35-0000 (3500K, 31 Lm, 100 mA, 3.1 V, 400 mW, 5.3x3 mm).

Если такая большая гирлянда из светодиодов не нужна, то к драйверу на LM317 для питания светодиодов придется добавить балластный резистор или конденсатор (чтобы загасить лишнее напряжение). Как это сделать мы очень подробно рассматривали в .

Недостаток такой схемы токового драйвера для светодиодов в том, что при повышении напряжения в сети выше 235 вольт, LM317 окажется за пределами расчетного режима работы, а при снижении до ~208 вольт и ниже, микросхема совсем перестает стабилизировать и глубина пульсаций будет целиком и полностью зависеть от емкости С1.

Поэтому использовать такой светильник нужно там, где напряжение более менее стабильно. И на емкости этого конденсатора не стоит экономить. Диодный мост можно взять готовый (например, миниатюрный MB6S) или собрать из подходящих диодов (U обр не менее 400 В, прямой ток >= 100 мА). Отлично подойдут упомянутые выше 1N4007 .

Как видите, схемка простейшая и не содержит каких-либо доростоящих компонентов. Вот текущие цены (и они, скорее всего, будут и дальше снижаться):

Таким образом, потратив в общей сложности 1000 руб., можно собрать десяток 30-ваттных (!!!) не мерцающих (!!!) лампочек. А так как светодиоды работают не на полную мощность, а единственный электролит не перегревается, то эти лампы будут практически вечными.

Вместо заключения

К недостаткам приведенных в статье схем следует отнести низкий КПД за счет бесполезной траты мощности на регулирующих элементах. Впрочем, это свойственно всем линейным стабилизаторам тока.

Низкий коэффициент полезного действия неприемлем для устройств, питающихся от автономных источников тока (светильники, фонарики и т.п.). Существенного повышения КПД (90% и более) можно добиться применением .

Примечание автора: «В сети есть достаточно большое количество информации о питании светодиодной продукции, но когда я готовил материал для этой статьи, нашел большое количество абсурдной информации на сайтах из топа выдачи поисковых систем. При этом наблюдается либо полное отсутствие, либо неправильное восприятие базовых теоретических сведений и понятий.»

Светодиоды - самый эффективный на сегодняшний день из всех распространенных источников света. За эффективностью кроются и проблемы, например высокое требование к стабильности тока, который их питает, плохая переносимость сложных тепловых режимов работы (при повышенной температуре). Отсюда выходит задача решения этих проблем. Давайте разберемся, чем отличаются понятия блок питания и драйвер. Для начала углубимся в теорию.

Источник тока и источник напряжения

Блок питания - это обобщенное названия части электронного устройства или другого электрооборудования, которое осуществляют подачу и регулирование электроэнергии для питания этого оборудования. Может находиться как внутри устройства, так и снаружи, в отдельном корпусе.

Драйвер - обобщенное название специализированного источника, коммутатора или регулятора питания для специфичного электрооборудования.

Различают два основных типа источников питания:

Источник напряжения.

Источник тока.

Давайте рассмотрим их отличия.

Источник напряжения - это такой и источник питания напряжение на выходе которого не изменяется при изменении выходного тока.

У идеального источника напряжения внутреннее сопротивление равняется нулю, при этом выходной ток может быть бесконечно большим. В реальности же дело обстоит иначе.

У любого источника напряжения есть внутреннее сопротивление. В связи с этим напряжение может несколько отклоняться от номинального при подключении мощной нагрузки (мощная - малое сопротивление, большой ток потребления), а выходной ток обуславливается его внутренним устройством.

Для реального источника напряжения аварийным режимом работы является режим короткого замыкания. В таком режиме ток резко возрастает, его ограничивает только внутреннее сопротивление источника питания. Если источник питания не имеет защиты от КЗ, то он выйдет из строя

Источник тока - это такой источник питания, ток которого остается заданным независимо от сопротивления подключенной нагрузки.

Так как целью источника тока является поддержание заданного уровня тока. Аварийным режимом работы для него является режим холостого хода.

Если объяснить причину простыми словами, то дело обстоит следующим образом: допустим, вы подключили к источнику тока с номинальным в 1 Ампер нагрузку сопротивлением в 1 Ом, то напряжение на его выходе установится в 1 Вольт. Выделится мощность в 1 Вт.

Если увеличить сопротивление нагрузки, скажем, до 10 Ом, то ток так и будет 1А, а напряжение уже установится на уровне 10В. Значит, выделится 10Вт мощности. И наоборот, если снизить сопротивление до 0.1 Ома, ток будет все равно 1А, а напряжение станет 0.1В.

Холостым ходом называется состояние, когда к выводам источника питания ничего не подключено. Тогда можно сказать, что на холостом ходу сопротивление нагрузки очень большое (бесконечное). Напряжение будет расти до тех пор, пока не потечет ток силой в 1А. На практике, для примера такой ситуации можно привести катушку зажигания автомобиля.

Напряжение на электродах свечи зажигания, когда цепь питания первичной обмотки катушки размыкается, растёт до тех пор, пока его величина не достигнет напряжения пробоя искрового промежутка, после чего через образовавшуюся искру протечет ток и рассеется энергия, накопленная в катушке.

Состояние короткого замыкания для источника тока не является аварийным режимом работы. При коротком замыкании сопротивление нагрузки источника питания стремится к нулю, т.е. оно бесконечно маленькое. Тогда напряжение на выходе источника тока будет соответствующим для протекания заданного тока, а выделяемая мощность ничтожно мала.

Перейдем к практике

Если говорить о современной номенклатуре или названиям, которые даются источникам питания в большей степени маркетологами, а не инженерами, то блоком питания принято называть источник напряжения.

К таким относятся:

Зарядное устройство для мобильного телефона (в них преобразование величин до достижения необходимого зарядного тока и напряжения осуществляется установленными на плате заряжаемого устройства преобразователями.

Блок питания для ноутбука.

Блок питания для светодиодной ленты.

Драйвером называют источник тока. Основное его применение в быту - это питание отдельных и те и другие обычной высокой мощности от 0.5 Вт.

Питание светодиодов

В начале статьи было упомянуто, что у светодиода весьма высокие требования к питанию. Дело в том, что светодиод питается током. Это связано с . Взгляните на неё.

На картинке ВАХ диодов разных цветов:

Такая форма ветви (близка к параболе) обусловлена характеристиками полупроводников и примесей которые в них внесены, а также особенностей pn-перехода. Ток, когда напряжение, приложенное к диоду меньше порогового почти, не растёт, вернее его рост ничтожно мал. Когда напряжение на выводах диода достигает порогового уровня, через диод резко начинает расти ток.

Если ток через резистор растёт линейно и зависит от его сопротивления и приложенного напряжения, то рост тока через диод не подчиняется такому закону. И при увеличении напряжения на 1% ток может возрасти на 100% и больше.

Плюс к этому: у металлов сопротивление увеличивается при росте его температуры, а у полупроводников наоборот - сопротивление падает, а ток начинает расти.

Чтобы узнать причины этого подробнее нужно углубиться в курс “Физические основы электроники” и узнать о типах носителей зарядов, ширине запрещенной зоны и прочих интересных вещах, но делать этого мы не будем, бегло эти вопросы мы рассматривали .

В технических характеристиках пороговое напряжение обозначается, как падение напряжения в прямом смещении, для светодиодов белого свечения обычно около 3-х вольт.

С первого взгляда может показаться, что достаточно на этапе проектировки и производства светильника достаточно подобать и выставить стабильное напряжения на выходе блока питания и всё будет хорошо. На светодиодных лентах так и делают, но их питают от стабилизированных источников питания, к тому же мощность применяемых в лентах светодиодах зачастую* мала, десятые и сотые доли Ватт.

Если такой светодиод питается от драйвера, со стабильным выходным током, то при нагреве светодиода ток через него не возрастет, а останется неизменным, а напряжение на его выводах для этого немного снизится.

А если от блока питания (источника напряжения), после нагрева ток увеличится, от чего нагрев будет еще сильнее.

Есть еще один фактор - характеристики всех светодиодов (как и других элементов) всегда отличаются.

Выбор драйвера: характеристики, подключение

Для правильного выбора драйвера нужно ознакомиться с его техническими характеристиками, основные это:

Номинальный выходной ток;

Максимальная мощность;

Минимальная мощность. Не всегда указывается. Дело в том, некоторые драйвера не запустятся если к ним подключена нагрузка меньше определенной мощности.

Часто в магазинах вместо мощности указывают:

Номинальный выходной ток;

Диапазон выходных напряжений в виде (мин.)В…(макс.)В, например 3-15В.

Количество подключаемых светодиодов, зависит от диапазона напряжений, пишется в виде (мин)…(макс), например 1-3 светодиодов.

Так как ток через все элементы одинаков при последовательном подключении, поэтому к драйверу светодиоды подключаются последовательно.

Параллельно светодиоды нежелательно (скорее нельзя) подключать к драйверу, потому что, падения напряжений на светодиодах могут немного различаться и один будет перегружен, а второй наоборот работать в режиме ниже номинального.

Подключать больше светодиодов, чем определено конструкцией драйвера не рекомендуется. Дело в том, что любой источник питания имеет определенную максимально допустимую мощность, которую нельзя превышать. А при каждом подключенном светодиоде к источнику стабилизированного тока напряжение на его выходах будет возрастать примерно на 3В (если светодиод белый), а мощность будет равняться как обычно произведению тока на напряжение.

Исходя из этого, сделаем выводы, чтобы купить правильный драйвер для светодиодов, нужно определиться с током, который потребляют светодиоды и напряжением, которое на них падает, и по параметрам подобрать драйвер.

Например этот драйвер поддерживает подключение до 12 мощных светодиодов на 1Вт, с током потребления в 0.4А.

Вот такой выдаёт ток в 1.5А и напряжение от 20 до 39В, значит к нему можно подключить, например светодиод на 1.5а, 32-36В и мощностью 50Вт.

Заключение

Драйвер - это один из типов блока питания, рассчитанный на обеспечение светодиодов заданным током. В принципе все равно как называют этот источник питания. Блоками питания называются источники питания для светодиодных лент на 12 или 24 Вольта, они могут выдавать любой ток ниже максимального. Зная правильные названия, вы вряд ли ошибетесь при приобретении товара в магазинах, и вам не придётся его менять.

Имеется светодиодный светильник, состоящий из 50 штук последовательно включенных светодиодов GW PUSRA1.PM фирмы OSRAM. Рабочий ток светильника равен 700 мА. Светильник будет эксплуатироваться в диапазоне температур от -30 до +50 градусов Цельсия.

Необходимо: подобрать к этому светодиодному светильнику источник питания.

Смотрим характеристики светодиодов GW PUSRA1.PM, которые нам дает производитель:

Из документации видно, что типичное падение напряжения на одном светодиоде составляет 2.80 V при токе 700 mA.
Следовательно, типичное падение напряжения светодиодного светильника (последовательно включенных 50 светодиодах) составляет 2.80 X 50 = 140 V.

При производстве светодиодов существует важная проблема - повторяемость параметров. Самое высокотехнологичное производство не позволяет получить приборы с одинаковыми заданными рабочими параметрами.
Чтобы учесть это в расчетах, смотрим в технической документации, какое минимальное и максимальное падение напряжения на светодиоде при токе 700мА. Производитель указал максимальное падение напряжения: 3.20 V, минимальное: 2.70 V.
С учетом этих отклонений, расчетные падения напряжения на светодиодном светильнике будут:
минимальное: 2.70 x 50 = 135V
максимальное: 3.20 x 50 = 160V
Мы получили промежуточный рабочий диапазон падения напряжения светодиодного светильника 135…160 V при рабочем токе 700мА.

При расчете промежуточного рабочего диапазона падения напряжения, мы не учитывали диапазон рабочих температур светодиодного светильника. Этот диапазон определяется планируемыми климатическими условиями эксплуатации светодиодного светильника (от -30 до +50 градусов Цельсия).
Смотрим график зависимости падения напряжения на светодиоде от температуры:

Из графика видно, что чем ниже температура, тем больше падение напряжения на светодиоде.
Увеличение падения напряжения на светодиоде при -30 градусов относительно 85 градусов составит примерно 0,2 V
Увеличение падения напряжения на светодиоде при +50 градусов относительно 85 градусов составит примерно 0,05 V
Следовательно, падения напряжения на светодиодном светильнике с учетом температурного диапазона будут:

от (2,7 + 0,05) x 50 шт. = 137.5 V до (3,2 +0,2) x 50 шт. = 170 V

То есть, при типовом значении падения напряжения на светильнике 140 V расчетный диапазон падения напряжения составит: 137.5 … 170 V

Примечание: в реальном светильнике температура светодиодов из-за нагрева может превышать расчетные +50 градусов Цельсия. Строго говоря, это может привести к уменьшению падения напряжения на светодиодах и соответственно, небольшому уменьшению величины нижней границы диапазона напряжений светильника. Но так как мы используем данные расчеты для подбора источников питания - то позволим себе этой небольшой поправкой пренебречь, так как источник все равно нужно приобретать с приличным запасом по величине нижней и верхней границы выходного напряжения. Либо, если есть необходимость знать нижнюю границу совершенно точно - нужно производить практические замеры температуры светодиодов в реальном светильнике.

Обращаем внимание, что данный расчет велся для типичного тока этих светодиодов: 700 мА. Но вообще диапазон тока для этих светодиодов 200 … 1500 мА. То есть, при желании может быть выбран другой ток из этого диапазона. В этом случае, можно воспользоваться графиком:

Возвращаясь к нашему расчету для тока 700 мА, будем подбирать источник питания для светодиодного светильника.
Оценим максимальную мощность потребления светильника: 170 V x 0,7 A = 119 Вт
При выборе источника питания, фирма MEAN WELL рекомендует иметь запас по мощности примерно 30%. Следовательно, номинальная мощность источника составит величину около 150 Вт.

Выбираем модель ELG-150-C700.

Основные характеристики ELG-150-C700 представлены в таблице:

Как видно, источник ELG-150-C700 на выходе дает стабилизированный ток 700мА в диапазоне 107 … 214 V
Ток 700 мА совпадает с заданным током светодиодного светильника. Диапазон напряжений источника 107 … 214 V шире диапазона напряжений светодиодного светильника 137.5 … 170 V
Следовательно, совместно они должны работать нормально.
Проанализируем, как источник ведет себя в разных температурных режимах:

Видно, что в заданном диапазоне температур от -30 до +50 градусов Цельсия номинальная мощность источника не меняется и находится на уровне 100%.

Источник ELG-150-C700 к светильнику подобран.

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

1. 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.
2. 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.
3. 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