Как сделать преобразователь на светодиод
Добавил пользователь Евгений Кузнецов Обновлено: 04.10.2024
Вне всякого сомнения, светодиоды на сегодняшний день являются самыми экономичными и долговечными источниками света. Появившиеся в последние годы новые приборы этого класса произвели своего рода революцию в сфере освещения и иллюминации Широкое распространение в быту получили светодиодные лампы, пришедшие вместе с компактными люминесцентными лампами (КЛЛ) на смену неэкономичным и недолговечным лампам накаливания, а сегодня ими всё чаще заменяют и КЛЛ. К сожалению, несмотря на заверения производителей о долговечности, исчисляемой многими десятками тысяч часов, и светодиодные лампы иногда выходят из строя, причем гораздо раньше срока. И причина нередко не в качестве светодиодов, а. скорее всего, в скупости производителей: чтобы сэкономить на стоимости ламп, светодиоды в них заставляют работать в экстремальных условиях, при значениях тока, близких к предельно допустимым, что оказывает заметное влияние на скорость деградации кристалла и люминофоров, а также на надёжность лампы. А если учесть, что из-за малых габаритов ламп к вышесказанному добавляются неудовлетворительные условия охлаждения светодиодов, неудивительно, что иногда такие лампы выходят из строя уже через несколько часов работы.
Анализ неисправностей перегоревших ламп показывает, что в 90 % случаен выходит из строя один из светодиодов, при этом драйвер, как правило, остаётся исправным. Ремонт таких ламп несложен, но без принятия мер по уменьшению тока через оставшиеся светодиоды зачастую бесполезен: через некоторое время лампа снова выходит из строя.
Рассмотрим возможность восстановления лампы Elektrostandard мощностью 7 Вт. Её внешний вид и вид на плату драйвера со стороны печатных проводников показаны на рис. 1.
Сначала следует любым способом найти сгоревший светодиод и замкнуть его перемычкой. Далее необходимо уменьшить ток через светодиоды. Для контроля тока служит датчик, состоящий из двух соединённых параллельно резисторов SMD (обведены на рис. 1 красным кружком). Чтобы уменьшить ток. их нужно выпаять и на место любого ИЗ НИХ впаять новый сопротивлением 2 Ом. После такого ремонта мощность и светоотдача пампы несколько снизятся, но она будет способна работать ещё длительное время. Сказанное полностью применимо и к аналогичным лампам мощностью 15 Вт (рис. 2). На их плате для уменьшения тока через светодиоды необходимо выпаять один из резисторов сопротивлением 5,6 Ом (также обведены красным кружком).
Но иногда восстановить лампу невозможно из-за выхода из строя контроллера. В этом случае светодиоды можно питать от другого источника Ниже рассмотрен вариант подключения платы светодиодов ламп мощностью 5 или 7 Вт к двенадцативольтовому источнику (например, автомобильному аккумулятору). В зависимости от номинальной мощности в этих лампах установлены соответственно 12 или 16 светодиодов. Такая лампа может пригодиться для аварийного или автомобильного светильника. Поскольку светодиоды включены на плате последовательно, а изменять схему соединений путём перерезания печатных проводников и установкой проволочных перемычек не хотелось, было решено изготовить преобразователь, повышающий напряжение аккумулятора до уровня, необходимого для свечения светодиодов с нормальной яркостью (в данном случае соответственно до 35 или 48 В).
Схема простого преобразователя, собранного из широко распространённых и недорогих деталей, представлена на рис. 3. На триггере Шмитта DD1.1 по типовой схеме построен задающий генератор, работающий на частоте около 25 кГц. Включенные параллельно элементы DD1.2—DD1.6 инвертируют сигнал генератора и увеличивают его нагрузочную способность, обеспечивая быструю зарядку и разрядку ёмкости полевого транзистора VT2. Питается микросхема от источника питания лампы через линейный стабилизатор напряжения DA1, включённый по типовой схеме. Датчиком тока является резистор R5.
Работает цепь стабилизации следующим образом. Если ток через светодиоды становится больше требуемого, транзистор VT1 открывается, шунтируя резистором R1 вход триггера Шмитта DD1.1. При этом длительность импульсов управления, подаваемых на затвор полевого транзистора VT2, уменьшается, а длительность пауз между ними, наоборот, увеличивается, В результате ток через светодиоды уменьшается. Стабилизация тока осуществляется в интервале значений входного напряжения от 9 до 15 В, что для аккумуляторного и автомобильного светильника вполне достаточно. Резистор R3 служит для разрядки конденсатора С4 после выключения преобразователя (без него в течение длительного времени после выключения питания наблюдалось бы слабое свечение светодиодов).
Все детали устройства размещены на печатной плате (рис. 4), изготовленной из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита. Транзистор VT2 в теплоотводе не нуждается, но если при эксплуатации его корпус будет заметно нагреваться. можно в дополнение к используемой в качестве теплоотвода контактной площадке на плате, к которой припаян вывод его стока, снабдить его небольшим П-образным теплоотводом, изготовленным из расплющенного отрезка медного провода сечением 2,5 мм 2 и длиной 20 мм. Припаять его можно как к указанной площадке на плате (рядом с транзистором), так и к самому теплоотводящему фланцу транзистора. Внешний вид готового узла показан на рис. 5. Для светодиодной панели изготовлен дополнительный теплоотвод из листового алюминиевого сплава, его внешний вид также показан на этом рисунке.
Несколько слов о деталях. Кроме указанного на схеме, в качестве VT можно применить любой маломощный транзистор структуры n-p-n для поверхностного монтажа. Полевой транзистор (VT2) — любой с током стока не менее 2 А и напряжением сток-исток не ниже 80 В, рассчитанный на управление логическими уровнями. Возможная замена микросхемы 74HCT14 (DD1) — из серии 74HC14 или 74AC14. Вместо диода RGP10J (VD1) можно применить 1N4007, однако он будет заметно нагреваться и снизится КПД. Практически без нагрева работают диоды серии КД226. Дроссель L1 — промышленного изготовления в цилиндрическом корпусе, тип его неизвестен, а внешний вид показан на рис. 5 (чёрный цилиндр в левом нижнем углу платы).
Если не удастся найти интегральный стабилизатор на 5 В исполнения SMD, в цепь питания микросхемы DD1 можно встроить параметрический стабилизатор на стабилитроне. Разместить его и балластный резистор сопротивлением 1 кОм можно на посадочном месте микросхемы.
Налаживания устройство, собранное из исправных деталей, практически не требует. При первом включении преобразователь желательно питать от лабораторного блока с регулируемым выходным напряжением, постепенно повышая его, начиная с 5 В. Если светодиоды не светят, следует проверить полярность их подключения, исправность деталей.
При использовании вместо указанной на схеме (DD1) заменяющих микросхем, возможно, потребуется подбор конденсатора С1 или дросселя L1 по максимальному КПД. Возможно, потребуется подбор резистора R5 до получения тока через светодиоды, равного 100 мА. Если нужного резистора среди имеющихся я наличии не найдётся, можно установить R5 заведомо несколько большего сопротивления и подобрать включённый параллельно ему дополнительный резистор R5′ (изображён на схеме штриховыми линиями), место для него на плате предусмотрено.
Далее следует проверить интервал значений входного напряжения, при которых осуществляется стабилизация тока через светодиоды. Можно попробовать повысить КПД преобразователя, подбирая индуктивность дросселя L1. При налаживании следует помнить, что обрыв цепи светодиодов может привести к пробою полевого транзистора, поэтому необходимо быть очень внимательным.
В завершение плату преобразователя следует покрыть двумя слоями лака ХВ-784, это защитит его от влаги. При эксплуатации такого светильника следует помнить, что при подключении его к источнику питания следует соблюдать полярность.
Автор: Е. ГЕРАСИМОВ, ст. Выселки Краснодарского края
Источник: Радио №3/2017
Здесь уже было несколько обзоров на данный преобразователь. Я постараюсь поподробнее исследовать его эффективность в режиме работы от литиевого аккумулятора. Также будет доработка до регулируемого источника тока для установки в кемпинговую лампу с заменой свинцового аккумулятора на литиевый. В обзоре будет много рисунков, фотографий, формул и графиков, а ещё расчленёнка и небольшой DIY-бонус.
Приборы, использованные при составлении обзора, не имеют метрологической поверки и полученные на них результаты не являются измерениями в метрологическом смысле этого слова. Естественно, они полностью работоспособны и взаимный разброс показаний не превышает 1% (специально проводил сравнение пару месяцев назад). Тем не менее, полученные значения рекомендуется использовать только для относительных сравнений (что и было целью работы).
В обзоре нет ничего революционного или оригинального. Приведённая информация рассчитана на начинающих радиолюбителей и едва ли заинтересует паял 80-го уровня.
Мне требовалось запитать от этого преобразователя четыре платы с пятью параллельно соединёнными светодиодами на каждой (по 100 мА на плату). Платы я мог соединять произвольно. Особенностью светодиодов (как и обычных диодов) является сильная нелинейность вольтамперной характеристики. По этой причине для них нормируется ток, а не напряжение, которое может иметь существенный разброс при фиксированном токе. Из этих соображений предпочтительным способом соединения нескольких светодиодов является последовательное с управлением общим током. Менять соединение в пределах каждой платы я не стал. Для 20 светодиодов напряжение питания составило бы около 65 В. Преобразователь же даёт не более 28. Но можно по разному соединить платы. Реально есть 3 варианта:
— все 4 параллельно (оставить как было) и переделать преобразователь в SEPIC, как в обзоре kirich-а, напряжение 3,25 В, ток 400 мА,
— последовательно соединить две пары с параллельным соединением в парах (схема 2S2P), требуемое напряжение 6,5 В, ток 200 мА,
— последовательное соединение всех 4-х плат (схема 4P), требуемое напряжение 13 В, ток 100 мА.
Первый вариант я отбросил как наиболее трудоёмкий и неправильный с точки зрения оптоэлектроники. Оставшиеся два требовали сравнения по эффективности. Документации на MT3608 для этого было явно недостаточно. Литиевый аккумулятор выдаёт не 5 вольт и тем более не 13.
Как я уже говорил выше, при входном токе больше 2,5 А на выходе преобразователя начинается сильный завал параметров.
Судя по комментариям, многих людей интересуют не только параметры светодиодных ламп, но и теория их внутреннего устройства. Потому я решил немного поговорить об основах схемотехнических решений, чаще всего применяемых в этой области.
Итак, ядром и главным компонентом светодиодной лампочки является светодиод. С точки зрения схемотехники светоизлучающие диоды ничем не отличаются от любых других, разве только тем, что в смысле применения их как собственно диодов они обладают ужасными параметрами – очень маленьким допустимым обратным напряжением, относительно большой емкостью перехода, огромным рабочим падением напряжения (порядка 3.5 В для белых светодиодов – например, для выпрямительного диода это был бы кошмар) и т.д.
Однако мы понимаем, что главная ценность светодиодов для человечества состоит в том, что они светятся, причем порой достаточно ярко. Чтобы светодиод светился долго и счастливо, ему необходимо два условия: стабильный ток через него и хороший теплоотвод от него. Качество теплоотвода обеспечивается различными конструкционными методами, потому сейчас мы не будем останавливаться на этом вопросе. Поговорим о том, зачем и как современное человечество достигает первой цели – стабильного тока.
Понятное дело, что для освещения более всего интересны белые светодиоды. Делаются они на основе кристалла, излучающего синий свет, залитого люминофором, переизлучающим часть энергии в желто-зеленой области. На заглавной картинке хорошо видно, что токоведущие проволочки уходят в нечто желтое — это и есть люминофор; кристалл расположен под ним. На типичном спектре белого светодиода хорошо виден синий пик:
Спектры светодиодов с разными цветовыми температурами: 5000K (синий), 3700K (зеленый), 2600K (красный). Подробнее тут.
ВАХ белого светодиода.
Кроме того, устройства, предназначенные для задания режима осветительного прибора, часто называют балластом.
Итак, источники тока. Самым простым источником тока может быть сопротивление, включенное последовательно со светодиодом. Так делают при малых мощностях (где-то до полуватта), например, в тех же светодиодных лентах. С увеличением мощности потери на резисторе становятся слишком велики, а требования к стабильности тока повышаются, и потому возникает необходимость в более продвинутых устройствах, поэтичный образ которых я нарисовал выше. Все они строятся по одинаковой идеологии – в них имеется регулирующий элемент, контролируемый обратной связью по току.
Стабилизаторы тока разделяются на два типа – линейные и импульсные. Линейные схемы – родственники резистора (сам резистор и его аналоги также относятся к этому классу). Особого выигрыша в КПД они обычно не дают, зато повышают качество стабилизации тока. Импульсные схемы являют собой наилучшее решение, однако они сложнее и дороже.
Давайте теперь кратко пробежимся по тому, что в наши дни можно увидеть внутри светодиодных ламп или рядом с ними.
1. Конденсаторный балласт
Конденсаторный балласт являет собой развитие идеи насчет включения сопротивления последовательно со светодиодом. В принципе, светодиод можно подключить в розетку прямо так:
Встречновключенный диод необходим для того, чтобы не допустить пробоя светодиода в момент, когда сетевое напряжение сменит полярность – я уже упоминал, что светодиодов с допустимым обратным напряжением в сотни вольт не встречается. В принципе, вместо обратного диода можно поставить еще один светодиод.
Номинал резистора в схеме выше рассчитан для тока светодиода около 10 – 15 мА. Поскольку напряжение сети гораздо больше падения на диодах, последнее можно не учитывать и считать прямо по закону Ома: 220/20000 ~ 11 мА. Можно подставить пиковое значение (311 В) и убедиться, что даже в предельном случае ток диода не превысит 20 мА. Все выходит замечательно, кроме того, что на резисторе будет рассеиваться мощность около 2.5 Вт, а на светодиоде – около 40 мВт. Таким образом, КПД системы составляет порядка 1.5% (в случае одного светодиода будет еще меньше).
Идея рассматриваемого метода заключается в том, чтобы заменить резистор конденсатором, ведь известно, что в цепях переменного тока реактивные элементы обладают способностью ограничивать ток. Кстати, использовать дроссель тоже можно, более того, так делают в классических электромагнитных балластах для люминесцентных ламп.
Считая по формуле из учебника, легко получить, что в нашем случае требуется конденсатор емкостью 0.2 мкФ, либо катушка индуктивностью около 60 Гн. Здесь становится ясно, почему в подобных балластах светодиодных ламп никогда не встречаются дроссели – катушка такой индуктивности представляет собой серьезное и дорогое сооружение, а вот конденсатор на 0.2 мкФ добыть гораздо проще. Разумеется, он должен быть рассчитан на пиковое сетевое напряжение, причем лучше с запасом. На практике применяются конденсаторы с рабочим напряжением не менее 400 В. Немного дополнив схему, получаем то, что уже видели в предыдущей статье.
Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF, и никак иначе!
Как я уже говорил, преимущество у такого балласта только одно – простота и дешевизна. Подобно балласту с резистором, здесь обеспечивается не слишком хорошая стабилизация тока, и, что еще хуже, присутствует значительная реактивная составляющая, что не особо хорошо для сети (особенно при заметных мощностях). Кроме того, при увеличении желаемого тока будет расти необходимая емкость конденсатора. Например, если мы хотим включить одноваттный светодиод, работающий при токе 350 мА, нам потребуется конденсатор емкостью около 5 мкФ, рассчитанный на напряжение 400 В. Это уже дороже, больше по габаритам и сложнее в конструкционном плане. С подавлением пульсаций здесь тоже все непросто. В целом можно сказать, что конденсаторный балласт простителен только для небольших ламп-маячков, не более того.
2. Бестрансформаторная понижающая топология
Это схемотехническое решение относится к семейству бестрансформаторных преобразователей, включающему в себя понижающую, повышающую и инвертирующую топологии. Кроме того, к бестрансформаторным преобразователям также относится SEPIC, преобразователь Чука и другая экзотика, вроде переключаемых конденсаторов. В принципе, драйвер светодиодов можно построить на основе любой из них, однако на практике в этом качестве они встречаются гораздо реже (хотя повышающая топология применяется, например, во многих фонариках).
Один из вариантов драйвера на основе бестрансформаторной понижающей топологии приведен на рисунке ниже.
В живой природе такое включение можно наблюдать на примере ZXLD1474 или варианта включения ZXSC310 (которая в исходной схеме включения, кстати, как раз повышающий преобразователь).
Здесь светодиод включается последовательно с катушкой. Схема управления отслеживает ток с помошью измерительного резистора R1 и управляет ключом T1. Если ток через светодиод падает ниже заданного минимума, транзистор открывается, и катушка с включенным последовательно с ней светодиодом оказывается подключенной к источнику питания. Ток в катушке начинает линейно нарастать (красный участок на графике), диод D1 в это время заперт. Как только схема управления регистрирует достижение током заданного максимума, ключ закрывается. В соответствии с первым законом коммутации катушка стремится поддержать ток в цепи за счет энергии, накопленной в магнитном поле. В этот момент ток протекает через диод D1. Энергия поля катушки расходуется, сила тока линейно убывает (зеленый участок на графике). Когда ток падает ниже заданного минимума, схема управления регистрирует это и снова открывает транзистор, подкачивая энергию в систему – процесс повторяется. Таким образом, ток поддерживается в заданных пределах.
Отличительная особенность понижающей топологии – возможность сделать пульсации светового потока сколь угодно малыми, поскольку в таком включении ток через светодиод никогда не прерывается. Путь приближения к идеалу лежит через увеличение индуктивности и повышение частоты коммутации (сегодня существуют преобразователи с рабочими частотами до нескольких мегагерц).
На основе такой топологии был сделан драйвер лампы Gauss, рассмотренной в предыдущей статье.
Недостатком метода является отсутствие гальванической развязки – когда транзистор открыт, схема оказывается напрямую соединенной с источником напряжения, в случае сетевых светодиодных ламп – с сетью, что может быть небезопасно.
3. Обратноходовый преобразователь
Несмотря на то, что обратноходовый преобразователь содержит нечто, похожее на трансформатор, в данном случае эту деталь правильнее называть двухобмоточным дросселем, поскольку ток никогда не течет через обе обмотки одновременно. В действительности по принципу действия обратноходовый преобразователь похож на бестрансформаторные топологии. Когда T1 открыт, ток в первичной обмотке нарастает, энергия в запасается в магнитном поле; при этом полярность включения вторичной обмотки сознательно подбирается такой, чтобы диод D3 на этом этапе был закрыт и тока на вторичной стороне не текло. Ток нагрузки в этот момент поддерживает конденсатор С1. Когда T1 закрывается, полярность напряжения на вторичной обмотке становится обратной (поскольку производная тока в первичной обмотке меняет знак), D3 открывается и накопленная энергия передается на вторичную сторону. В смысле стабилизации тока все то же самое – схема управления анализирует падение напряжения на резисторе R1 и подстраивает временные параметры так, чтобы ток через светодиоды оставался постоянным. Чаще всего обратноходовый преобразователь применяется при мощностях не более 50 Вт; далее он перестает быть целесообразным из-за возрастающих потерь и необходимых габаритов трансформатора-дросселя.
Надо сказать, что существуют варианты обратноходовых драйверов без оптоизолятора (например). Они полагаются на тот факт, что токи первичной и вторичной обмоток связаны, и при определенных оговорках можно ограничиться анализом тока первичной обмотки (или, чаще, отдельной вспомогательной обмотки) – это позволяет сэкономить на деталях и, соответственно, удешевить решение.
Обратноходовый преобразователь хорош тем, что он, во-первых, обеспечивает изоляцию вторичной части от сети (выше безопасность), а, во-вторых, позволяет относительно легко и дешево изготавливать лампы, совместимые со стандартными диммерами для ламп накаливания, а также устраивать коррекцию коэффициента мощности.
Обратноходовый преобразователь называется так потому, что изначально подобный метод применялся для получения высокого напряжения в телевизорах на основе электронно-лучевых трубок. Источник высокого напряжения был схемотехнически объединен со схемой горизонтальной развертки, и импульс высокого напряжения получался во время обратного хода электронного луча.
Немного о пульсациях
Как уже было упомянуто, импульсные источники работают на достаточно высоких частотах (на практике – от 30 кГц, чаще около 100 кГц). Потому ясно, что сам по себе исправный драйвер не может быть источником большого коэффициента пульсаций – прежде всего потому, что на частотах выше 300 Гц этот параметр просто не нормируется, ну и, кроме того, высокочастотные пульсации в любом случае достаточно легко отфильтровать. Проблема заключается в сетевом напряжении.
Дело в том, что, разумеется, все перечисленные выше схемы (кроме схемы с гасящим конденсатором) работают от постоянного напряжения. Потому на входе любого электронного балласта прежде всего стоит выпрямитель и накопительный конденсатор. Предназначением последнего является питать балласт в те моменты, когда сетевое напряжение уходит ниже порога работы схемы. И здесь, увы, необходим компромисс – высоковольтные электролитические конденсаторы большой емкости, во-первых, стоят денег, а, во-вторых, занимают драгоценное место в корпусе лампы. Здесь же коренится причина проблем с коэффициентом мощности. Описанная схема с выпрямителем имеет неравномерное потребление тока. Это приводит к возникновению высших гармоник оного, что и является причиной ухудшения интересующего нас параметра. Причем чем лучше мы будем пытаться отфильтровать напряжение на входе балласта, тем более низкий коэффициент мощности мы получим, если не предпринимать отдельных усилий. Этим объясняется тот факт, что почти все лампы с низким коэффициентом пульсаций, которые мы видели, показывают очень посредственный коэффициент мощности, и наоборот (разумеется, введение активного корректора коэффициента мощности скажется на цене, потому на нем пока что предпочитают экономить).
Принцип работы
Нижеприведенная схема ("Joule thief") позволяет питать светодиод белого или синего свечения, требующий напряжения питания 3 - 3,5 В, от одного гальванического элемента или аккумулятора NiCD,NiMH, даже разряженных до напряжения 0,8 В под нагрузкой.
Для красных и желтых светодиодов напряжение питания при токе 20 мА составляет 1,8 - 2,4 В, а для синих, белых и зеленых - 3 - 3,5 В, поэтому запитать синий или белый светодиод от пальчиковой батарейки напрямую невозможно.
Схема представляет вариант блокинг-генератора и была описана Z. Kaparnik из города Swindon в Великобритании в журнале "Everyday Practical Electronics" за ноябрь 1999 года. Ниже можно ознакомится с этой статьей:
(щелкните по рисунку мышкой для просмотра в крупном масштабе)
Питание схемы осуществляется от элемента LR6/AA/AAA напряжением 1,5 В - схема может непрерывно работать неделю от одной батарейки до ее разряда до 0,8 В. Примечание: AA или AAA (R6) - солевые батарейки, LR6 - щелочные (alkaline) батарейки.
Читайте также: