Сверхъяркие светодиоды - освещение будущего (Токоограничивающие схемы и драйверы)

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Светильники; Опубликовано: 23.03.2017 10:32; Просмотров: 4324

Понравилась статья - поделись с друзьями

В.В. Михальчук, г. Киев
Кристалл сверхъяркого светодиода весьма чувствителен к превышению допустимой плотности тока, поэтому необходимо применение токоограничивающих схем-драйверов.
В начале несколько слов о светодиодных фонарях на множестве маломощных светодиодов. По причине низкой световой эффективности в настоящее время такие фонари уже не представляют особого интереса. Интерес остался только к конструктивному исполнению из-за весьма низкой стоимости фонаря (около 15 грн.).

Как правило, в таких фонарях драйверов нет (в лучшем случае токоограничивающий резистор и то один на всю линейку светодиодов). Интересный вариант - фонарик серии «Космос» со свинцовым аккумулятором и подзарядом от сети (рис.1).

Весьма интересна первоначальная идея и низкая стоимость, но качество пластиковых деталей фонарика не выдерживает никакой критики.
Светодиоды работают в запредельном режиме. Выходит из строя один из светодиодов и возрастает ток остальных. Светодиоды начинают мигать от перегрева. Рекомендация: установить индивидуальные токоограничивающие резисторы последовательно с каждым светодиодом. Еще неплохо бы добавить элементарный предохранитель в цепь заряда, последовательно с гасящей емкостью, так как в исходном варианте схема достаточно опасна.
Далее рассмотрим светодиодные фонари с низковольтным питанием - от одного элемента 1,5 В. Для таких фонариков необходим повышающий преобразователь напряжения. Наиболее распространенная из относительно качественных и недорогих микросхем для таких преобразователей - это РАМ2803 (рис.2).

Она, по крайней мере, как-то регулирует и стабилизирует выходной ток.
Светодиодные фонари с низковольтным питанием - это не более чем игрушка, так как имеют весьма низкий КПД и малое время работы. Причин крайне низкого КПД множество. Одна из них - это потери на омическом сопротивлении открытого ключа и на измерительном резисторе-шунте, но главное - это потери в дросселе преобразователя. Применять дроссель с низкими активными потерями для китайских производителей - непозволительная растрата. Ко всему этому добавляются еще обязательные потери на выпрямительном диоде и самой микросхеме. Реальный КПД при питании от 1,5 В, в лучшем случае, не более 50% (собственно, это указывается и в документации). Огромный ток в 0,9 А быстро разряжает батарейку до 1 В (ресурс тает на глазах), а на выходе получаем всего 160 мА и около 3 В. Существенно повысить КПД (вплоть до 90%) можно, повысив питание до 2 В и более. Для этого нужно два аккумулятора или еще лучше два элемента по 1,5 В. Для интереса подобное было проделано автором. Основу конструкции составил относительно дорогой фонарик с переменным фокусом, а дешевый был использован в качестве удлинителя корпуса для второй батарейки (рис.3 и рис.4).

Резьбы подошли без доработки.
В обоих фонариках изначально установлены драйвера без обратной связи (основа - монокристальный 3-выводной генератор импульсов частотой около 200 кГц и скважностью около 4-5, а в более дорогом фонарике - полевой транзистор с низким напряжением затвора в качестве ключа. Питание генератора 3 В.
Большое распространение получили, из-за низкой стоимости, фонарики с одним мощным светодиодом и батареей из трех маленьких элементов типоразмера ААА (рис.5).

Подобные фонари могут не содержать вообще никаких драйверов (ограничение тока происходит за счет самих элементов ААА). Иногда, в рекламных целях, в фонарике установлена схема, обеспечивающая несколько режимов работы (медленное мигание - стробоскоп, 50% мощности, полная мощность). Такая схема часто выполнена на безродном СХ2803 (генератор на несколько частот, поочередно включает коммутирующий ключ в разных режимах, переключение кнопкой питания). Свето-диод в таких устройствах, как правило, тоже низкого качества. В связи с низкой стоимостью фонаря, его корпус вполне можно использовать для дальнейших модернизаций.
Драйвера качественных фонарей на литий-полимерных аккумуляторах (батарея из одного элемента), как правило, выполнены на линейных токовых стабилизаторах или на стабилизаторах напряжения, но с ограничением тока. Наиболее распространенная МС типа АМС7135 рассчитана на ток 0,35 А (рис.6), а более мощная АМЕ8805 -на ток 0,6 А.

Оба стабилизатора обладают минимальным падением напряжения, что обеспечивает высокий КПД и небольшие потери, а также очень простую схему включения. Для увеличения выходного тока часто можно встретить параллельное включение нескольких стабилизаторов.
Применение импульсных стабилизаторов может обеспечить более полное использование ресурса литий-полимерного аккумулятора, однако схемы включения сложные, и неизбежны потери на преобразование. Соответственно, такие драйверы широкого распространения не получили.
Профессиональные фонари с большим световым потоком требуют более мощные источники питания для обеспечения приемлемого времени работы. Для питания таких фонарей используются батареи из двух и более литий-полимерных аккумуляторов, соответственно, требуется понижающий импульсный драйвер. Схем драйверов достаточно много на разные выходные токи, с внешним ключом и без (например, целая серия МАХ168хх). Профессиональные фонари из-за высокой стоимости модернизировать бессмысленно.
Хочется обратить внимание на стационарное бытовое светодиодное освещение. Широкое распространение получили светодиодные лампы для точечных светильников в корпусе MR16 (рис.7).

Существуют варианты на 12 В и 220 В, с одним светодиодом мощностью 1 Вт или 3 Вт, либо с тремя одноваттными светодиодами (более 3 Вт не может рассеивать радиатор в форме лампы для точечного светильника).
Основное применение - замена галогеновых ламп 12В точечных светильников и автомобильное освещение.
Наверное, подобные лампы и есть первым признаком перехода на освещение будущего с высокой светоотдачей. Уже на сегодняшний день стоимость вполне демократичная (оптовая порядка 50 грн.), светоотдача на уровне ламп накаливания мощностью 20...30 Вт, а потребление всего 3 Вт. Окупаемость (при среднем и интенсивном использовании) около 3-х лет. Даже если сравнивать с экономичными люминесцентными лампами, то светоотдача вдвое выше.
Наиболее массово в качестве драйвера в светодиодных лампах для 12 В используется микросхема РТ4115 (рис.8).

Немного реже - почти аналогичный драйвер AL8805.
РТ4115 - это МС понижающего индуктивного драйвера для мощных светодиодов высокой яркости. Она обеспечивает питание одного или нескольких последовательно включенных светодиодов. МС весьма удачна, обладает очень неплохими характеристиками, получила массовое распространение и сейчас доступна по весьма небольшой стоимости (порядка 20 грн.).
Характеристики РТ4115:
• очень простая схема включения (несколько элементов);
• высокий КПД (до 96%, 11вх=28 В, нагрузка 7СИД 1 Вт);
• входное напряжение от 8 до 30 В;
• выходной ток до 1,2 А (устанавливается внешним токозадающим резистором);
• регулировка яркости по одному выводу, либо потенциалом 0,3...2,5 В, либо методом ШИМ (частота от 100 Гц до 50 кГц);
• частота преобразования до 1 МГц;
• в зависимости от питающего напряжения, навесных элементов выходная мощность до 30 Вт (типовая 3 Вт).
Для автомобильного применения подобные лампы можно использовать в подфарниках или в переноске. Такую лампу удобно применять в качестве автономного или аварийного источника света, совместно с кислотным аккумулятором 12В. Ток потребления всего 0,25 А, время работы более суток от АКБ 12 В 7 Ач, а световой поток весьма большой.
Светодиодные лампы на 220 В имеют большее разнообразие драйверов - встречаются как понижающий индуктивный драйвер (на чем собран, выяснить не удалось, на корпусе кодированная маркировка производителя), так и трансформаторные схемы на АР3706, которая часто применяется в разных зарядных устройствах и блоках питания (рис.9).

АР3706 - достаточно сложная МС, с отслеживанием пикового тока первичной обмотки. Микросхема отслеживает выходные параметры преобразователя через обратную связь с вспомогательной обмотки трансформатора. Последнее обстоятельство не очень радует, так как сложность ремонта и изготовления трансформатора сильно возрастает. МС АР3706 отслеживает ток первичной обмотки трансформатора, не боится коротких замыканий на выходе трансформатора, однако при пробое диодного моста или конденсатора может выгореть не только сама микросхема, но дорожка платы в самом тонком месте.
В заключение несколько слов о нестандартных драйверах для мощных светодиодов. Интересная идея использовать для драйверов светодиодов зарядное устройство от старого мобильного телефона, таковых еще достаточно много на рынках по весьма демократичной стоимости (менее 10 грн.). Разобрав несколько десятков разных зарядок, пришел к следующим выводам:
• предпочтительно использовать только фирменные зарядные устройства (например, LG);
• критерий качества схемы - это обязательное наличие оптопары LTV817 в цепи обратной связи;
• оптимально наличие МС ТОР или TNY (рис.10);
• корпус на винтах, чтобы можно было разобрать и собрать.

Схемы зарядных устройств в общем простые и многократно описывались. В большинстве случаев мощный трехваттный светодиод (CREEXPE) можно подключать без каких-либо изменений схемы. Чтобы подключить более одного светодиода (например, для подсветки небольшого аквариума), скорее всего, нужно заменить стабилитроном, для повышения выходного напряжения Для изменения тока нужно подобрать резисто| шунта.
Если нужно подключить целую линейку свето-диодов, то желательно применять специализированные источники питания.
РА 8 '2011