Подключение светодиодов: практика

Итак, товарищи, сегодня я хочу представить продолжение предыдущей статьи про светодиоды. Надеюсь, в прошлый раз я уже убедил всех сомневающихся в том, что светодиоду нужен именно стабильный ток, а потому настало время перейти к конкретным схемам его получения — от простого и убогого к сложному и качественному.

Начнем по порядку.

1. Классика — резистор.



Подходит для маломощных (10 — 50мА) светодиодов. В более мощных случаях становится заметным низкий КПД и не особо хорошие стабилизационные возможности.

Повторю методику расчета:

Пусть среднее падение на применяемом диоде Ufw, напряжение питания U0, и необходим ток диода Ifw. Тогда очевидно, что резистор должен принять на себя излишек напряжения, т.е., на нем должно падать U0-Ufw вольт при рабочем токе Ifw. Откуда несложно посчитать его номинал:

R=(U0-Ufw)/Ifw

Ясно, что в случае нескольких диодов Ufw заменяется на суммарное падение на цепочке.

Механизм стабилизации «на пальцах» описан в предыдущей статье. Однако, его можно объяснить и по-другому: в теории источник тока обладает бесконечным внутренним сопротивлением. Мы же здесь имеем источник напряжения, включенный последовательно с резистором. Т.е., с точки зрения диода, резистор наращивает внутреннее сопротивление источника, превращая его из источника напряжения в источник тока. Очевидно, что, чем больше резистор, тем больше такая схема похожа на идеальный источник тока и тем лучше ее параметры. Потому, еще раз, такая схема подходит только для маломощных диодов.

Перейдем к более качественным регуляторам. Но для начала я хотел бы пояснить общий принцип их действия, а для этого рассмотреть источник тока еще с одной стороны. Только что я что-то говорил про бесконечное внутреннее сопротивление — все это в согласии с теорией, никаких сомнений. Однако давайте взглянем по-другому на то, что делает источник тока: по сути, он всегда устанавливает на нагрузке такое напряжение, при котором через нее протекает заданный ток. Т.е., это источник напряжения с обратной связью по току. Таким образом, драйвер для светодиода можно сделать почти из любого стабилизатора напряжения, изменив тип его обратной связи.

2. Линейные регуляторы.

По идее, здесь должна бы быть классическая схема на LM317. Однако я хотел бы отойти от традиций и объяснить принцип работы подобного рода схем на отвлеченном примере, а заодно и проиллюстрировать все вышесказанное про обратную связь и источники тока. Кроме того, как станет очевидно, эти же принципы действуют и для импульсных схем.

Для начала разберемся с тем, как работает стандартный трехвыводной регулятор. Как подсказывает нам Капитан Очевидность, у трехвыводного регулятора имеется три вывода: вход, выход, и управляющий вход. Внутри имеется источник опорного напряжения. В процессе работы внутренняя схема сравнивает напряжение на управляющем входе с опорным, и, если опорное больше, регулятор начинает увеличивать напряжение на нагрузке. Если опорное меньше — уменьшать. При этом сам регулятор даже и не догадывается, что он стабилизатор тока или напряжения — его схема всего лишь реализует описанный алгоритм. Очевидно, что для получения желаемого эффекта стбилизации надо связать изменение напряжения на выходе и напряжения на управляющем входе с помощью какой-либо цепи. Например, если мы хотим получить постоянное напряжение, необходимо сконструировать цепь, которая будет подавать на управляющий вход напряжение больше опорного, когда выходное напряжение больше необходимого, и меньше опорного в противном случае. Очевидно, что такой цепью является обычный резистивный делитель. Собственно, классический стабилизатор напряжения на LM317:



Обычное напряжение опорного источника в LM317 — 1.25В.

Однако мы хотели стабилизировать ток. Т.е., нам нужна схема, которая будет подавать на управляющий вход напряжение меньше опорного, если выходной ток меньше заданного, и больше — если больше. Т.е., необходимо превратить изменение тока в изменение напряжения. Ясно, что здесь нам опять поможет резистор:



А теперь давайте сделаем то, что я так люблю делать — посмотрим на эту схему под другим углом. Вглядитесь, ведь здесь мы, по сути, заставляем регулятор стабилизировать напряжение на резисторе на уровне опорного (1.25В для LM317). А, поскольку резистор — линейный элемент, то при стабильном напряжении ток через него будет постоянен. Светодиод же включен последовательно со всей этой конструкцией, и потому его ток тоже будет постоянен, хотя регулятор про него ничего не знает — он просто стабилизирует напряжение на резисторе.

Из вышесказанного очевидно, что резистор можно расчитать, исходя из опорного напряжения и заданного тока:

R=Uref/I0

Для LM317 — R=1.25/I0.

Достоинство такого регулятора — высокая стабильность тока и простота схемы. Недостаток — низкий КПД. Кроме того, есть и чисто практическое неудобство: как нетрудно убедиться, для значительных токов (>~0.2А) расчетные номиналы сопротивлений получаются порядка десятков Ом, что создает трудности в их добыче — чаще всего приходится изготавливать оные самостоятельно, либо наматывая из, например, нихрома, либо по-разному соединяя стандартные резисторы.

3. Импульсные регуляторы.

Линейные регуляторы изменяют параметры питания нагрузки, сбрасывая излишки энергии источника на регулирующем элементе (чаще всего это транзистор). Однако существует и другой подход: сначала мы берем порцию энергии от источника, например, запасая ее в дросселе в виде магнитного поля (или в конденсаторе в виде электрического), а потом отдаем ее в нагрузку. При этом нет необходимости сбрасывать излишки, поскольку мы сразу берем энергии ровно столько, сколько ее требуется.

В соответствующей статье Википедии есть хорошая картинка:



Это один из вариантов построения импульсного преобразователя (понижающий преобразователь). Пока ключ замкнут, ток от источника протекает через катушку, и в это время в ней запасается энергия. При разомкнутом ключе индуктивность отдает накопленную энергию в нагрузку.

При всех концептуальных различиях в способе управления питанием нагрузки, алгоритм работы импульсных преобразователей не отличается от алгоритма работы линейных. Т.е., они также сравнивают напряжение на регулируюшем входе с внутренней опорой. А потому все сказанное про обратную связь в равной степени относится и к ним.

Пример. Превращаем MC34063 — импульсный стабилизатор напряжения, в драйвер светодиодов:



Вывод 5 MC34063 — тот самый управляющий вход, напряжение на котором внутри сравнивается с опорным. В принципе, его можно прямо подключить туда же, куда включен неинвертирующий вход ОУ. Очевидно, при этом надо будет пересчитать резистор обратной связи по току R1 так, чтобы напряжение на нем при заданном токе было равно опорному — те же 1.25В. Однако при этих условиях мощность, рассеиваемая на нем, будет около полуватта (при токе 350мА, для которого расчитывалась эта схема), что много. Потому для повышения КПД я поставил резистор меньшего номинала, напряжение с которого усиливается с помощью ОУ. Кстати, как нетрудно видеть, такая схема имеет еще один бонус — возможность менять ток, изменяя коэффициент усиления. Кроме того, по этой же причине для нее не важен точный номинал токоизмерительного резистора.

А вообще уже давно выпускается множество специализированных светодиодных драйверов. На самом деле, основное отличие т.н. «драйвера» от простого импульсного стабилизатора состоит в том, что тот операционный усилитель, который мне пришлось поставить отдельно для MC34063, в них уже присутствует, что и дает возможность сразу ставить резисторы малого сопротивления.

В документации на драйверы дается исчерпывающая информация относительно их применения, потому я лишь для порядка приведу пример схемы включения одного из них — ZXLD1362 (просто цитата из даташита):



Кроме того, существует класс схем на основе блокинг-генератора, применяемых для питания маломощных светодиодов от батареек в тех случаях, когда приоритетом является низкая цена — таким схемам будет посвящена моя следующая статья. Однако, стоит отметить, что для той же цели также есть интегральные драйверы.

Собственно, все. Надеюсь, этот материал поможет кому-то разобраться в вопросах питания светодиодов.
  • +7
  • 07 июня 2011, 13:45
  • _YS_

Комментарии (22)

RSS свернуть / развернуть
Очевидно, что, чем больше резистор, тем больше такая схема похожа на идеальный источник тока и тем лучше ее параметры. Потому, еще раз, такая схема подходит только для маломощных диодов.
Продолжаешь насаждать ту же ошибку. Важно не абсолютное значение резистора, а соотношение его и нагрузки. Поэтому мощный диод через резистор работает так же, но потери на резисторе становятся неприемлемы (т.к. маломощные — как правило на вспомогательной роли и большого вклада в общее энергопотребление прибора не вносят, а мощные — в осветительных устройствах и по сути являются единственным полезным потребителем энергии). Кроме того, стабильность тока через резистор так себе, а мощные диоды более чувствительны к отклонениям и работают обычно на пределе (тогда как индикаторные — на 10-50% предела, лишь бы светились заметно на пульте) — т.к. дороги, а света надо много.

У специализированных драйверов есть еще одно отличие. Они знают, на что нагружены. Это позволяет несколько упростить схему. Так, например, HV9961 стабилизирует средний ток диодов, хотя резистор включен в первичной цепи, где ток совершенно другой и зависит не только от выходного, но и от разницы входного и выходного напряжения. И тем не менее, оно работает — т.к. HV9961 несколько иначе обрабатывает получаемую с резистора информацию о токе.

Алсо, по импульсникам — стоило бы сделать ссылки на статьи Di Halt'а, где он на пальцах и канализации объясняет, как работают step-up и step-down конвертеры.
0
  • avatar
  • Vga
  • 07 июня 2011, 20:23
Короче, не включают мощные диоды через резисторы. :-) Сомневающийся читатель должен твердо это запомнить.
0
Не так категорично)
Кроме того, через резистор не включают осветительные. Вон в подсветке дисплейчиков тоже на 20мА диода, но через резистор их не включают. Или через low-drop, или вообще через step-up.
0
step-up чаще. Обычно батарейка тупо не может выдать нужного напряжения.
0
Так, например, HV9961 стабилизирует средний ток диодов, хотя резистор включен в первичной цепи, где ток совершенно другой и зависит не только от выходного, но и от разницы входного и выходного напряжения. И тем не менее, оно работает — т.к. HV9961 несколько иначе обрабатывает получаемую с резистора информацию о токе.
Категорически не согласен — 9961 как раз конкретно меряет ток резистором (при помощи резистора) включенным КОНКРЕТНО в цепь светодиодов.
0
Конкретно посмотри в даташит по конкретно HV9961 и убедись, что резистор включен последовательно с ключевым транзистором. А ток светодиодов в этой схеме течет через него только в фазе открытого ключа. В фазе закрытого он течет через разрядный диод.
Так что ток через резистор — импульсный, тогда как ток диодов примерно постоянный. Поэтому в микросхему введен блок расчета среднего тока диодов по току в первичной цепи — Average Current Control Logic.
Ну и собственно из даташита:
General Description
The HV9961 is an average current mode control LED driver IC operating in a constant off-time mode. Unlike HV9910B, this control IC does not produce a peak-to-average error, and therefore greatly improves accuracy, line and load regulation of the LED current without any need for loop compensation or high-side current sensing. The output LED current accuracy
is ±3%.
Т.е. именно схема расчета тока диодов по току в первичной цепи — та фишка, которая отличает 9961 от 9910, которая стабилизирует пиковый ток через диоды (его непосредственно можно измерить в первичной цепи — он равен пиковому току через ключ).
Фокусы эти нужны затем, что у обычного Step-Down преобразователя датчик выходного тока и ключевой транзистор расположены около разных концов питания — нужно или ток щупать на резисторе в цепи +300В, или дергать мосфет там же, а это приводит к необходимости изолированного драйвера верхнего ключа или, что еще дороже, изолирующего усилителя (или как минимум оптопары). Здесь же и транзистор, и токоизмерительный резистор стоят около общего провода, где с ними легко работать.
0
Подробно этот вопрос разъясняется в секции «Application Information -> General Description» даташита. Ну и собсна там же говорится, какой именно ток меряется:
The HV9961 employs Supertex’ proprietary control scheme, achieving fast and very accurate control of average current in the buck inductor through sensing the switch current only.
Напомню, в Step-Down (Buck) преобразователе ток нагрузки равен току индуктивности, тогда как ток ключа равен току, потребляемому преобразователем от первичного источника питания (сетевого выпрямителя, в данном случае).
0
Вах-вах! Остапа понесло.
1. Категорически согласен со всеми приведенными выше выдержками из даташита.
2. Под непосредственным измерением я имел ввиду следующее — идет работа по непосредственно измерению тока протекающего через светодиоды (да, непосредственно измерение его происходит только при открытом ключе, при закрытом ключе в светодиоды идет энергия запасенная в индуктивности и при правильно рассчитанной индуктивности — средние токи будут равны). Управляющая логика дествительно считает нечто среднее, но Supertex учел свои недоработки в 9910 и ввел дополнительные узлы — микросхема стала работать гораздо лучше.
Кстати, на сегодняшний день дает наиболее стабильный ток в широком диапазоне питающих напряжений… правда достаточно капризна к трассировке трассы затвора.
0
Тогда с чем ты был не согласен?
Вах-вах! Остапа понесло.
Да-да-да! Хлебом не корми… ;)
но Supertex учел свои недоработки в 9910 и ввел дополнительные узлы — микросхема стала работать гораздо лучше.
Даже не то, чтоб недоработки, 9910 работает примерно по принципу обычного ШИМ-контроллера — стабилизирует ток (правда, пиковый, а не средний) через измерительный резистор. Но так как он в первичной цепи — ток во вторичной не очень-то стабилен. В HV9961 они воспользовались тем, что микросхема специализированная и параметры нагрузки известны, а значит — можно восстановить информацию о среднем токе нагрузки по току через резистор в первичной цепи и стабилизировать уже его.
0
Тогда с чем ты был не согласен?
Вот с этим:
хотя резистор включен в первичной цепи, где ток совершенно другой
Дело в том что я понял о чем речь (уже полтора года в серии у нас работает драйвер на этой микре — знаем как облупленную). А вот некоторые читатели могли понять неправильно. )) По-этому решил написать, не принимайте близко к сердцу.
0
Вот с этим:
хотя резистор включен в первичной цепи, где ток совершенно другой
Ну в принципе так оно и есть. Особенно средний ток в цепи измерительного резистора. Но микросхема-то стабилизирует не его, а выходной ток, о чем я и пытался сказать той фразой)
А вот некоторые читатели могли понять неправильно.
Как именно?
0
Интересно было бы увидеть сводную таблицу драйверов со сравнением по параметрам, доступности, цене. Нет возможности такую заделать?
0
А можно всех посмотреть? Ну, или почти всех. Я тоже за сравнение различных драйверов. В принципе, этого ожидал еще от первой записи про светодиоды, а тут уже вторая ;) Никогда не пользовался драйверами. В магазинах, сами знаете, их много, и нет возможности купить их все, чтобы просто попробовать. Было бы полезно иметь такую таблицу.
Что мне в ней хочется увидеть:
1. Название
2. Ток который она обеспечивает
3. Мощность
4. Корпус
5. Удобство использования (пайки, разводки и т.п.)
6. Что-нибудь еще. Пока не придумал.
0
Насчет сводных таблиц — это вам на сайты производителей. Ну вот, например: www.ti.com/ww/en/lighting/products.htm

Я уже говорил, что драйверов производится огромное количество, потому в одной статье их не охватить, да я и не вижу в этом особого смысла — все они примерно одинаковые. Надо просто читать даташиты, и выбирать, что удобнее в данный момент. Насчет доступности и удобства — тоже спорный вопрос. Все мы живем в разных городах и пользуемся разными технологиями, и потому то, что я могу купить за 15р и запаять на коленке, у вас может продаваться за $100 и казаться непаяемым, и наоборот.

Статья от КОМПЭЛ, посвященная именно обзору драйверов: www.compeljournal.ru/images/articles/2010_10_3.pdf

Весь список статей: www.compeljournal.ru/enews/tag/led

Мои же статьи посвящены теоретическим основам функционирования разных драйверов.
0
спасибо за статью, делаю светодиодную вывеску, искал схему источника тока, нашел!!!!, собрал на mc34063, все сразу заработало!!!
0
Я рад, что моя схема пошла в массы. :)
0
Почему в основу стабилизатора тока положено включение MC34063 как step-down преобразователя?
0
Потому, что в оригинале напряжение питания выше суммарного падения на светодиодах.
0
Можно и на повышение. Я так делал, чтобы запитать цепочку из 6 20мА диодов (ленточка с выпиленными резисторами). Там даже опер не потребовался, при 20мА и выходном 18-20В падение 1.25В на токоизмерительном резисторе несущественно (впрочем, у меня питание от USB, т.е. покуда оно жрет менее 0.5А — на КПД пофиг).
0
Вроде понятно как схема с импульсным стабилизатором работает, не понимаю только зачем значок земли на выходе операционника(
0
Это не значок земли, это «крутёлка» от подстроечного резистора R2.
0
Вот блин, точно!!! Спасибо)))
0
Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.