Светодиодный драйвер принцип работы. LED драйвер

Стандартная схема драйвера светодиодов РТ4115 представлена на рисунке ниже:

Напряжение питания должно быть по-крайней мере на 1.5-2 вольта выше, чем суммарное напряжение на светодиодах. Соответственно, в диапазоне питающих напряжений от 6 до 30 вольт, к драйверу можно подключить от 1 до 7-8 светодиодов.

Максимальное напряжение питания микросхемы 45 В , но работа в таком режиме не гарантируется (лучше обратите внимание на аналогичную микросхему ).

Ток через светодиоды имеет треугольную форму с максимальным отклонением от среднего значения ±15%. Средний ток через светодиоды задается резистором и рассчитывается по формуле:

I LED = 0.1 / R

Минимально допустимое значение R = 0.082 Ом, что соответствует максимальному току 1.2 А.

Отклонение тока через светодиод от расчетного не превышает 5%, при условии монтажа резистора R с максимальным отклонением от номинала 1%.

Итак, для включения светодиода на постоянную яркость вывод DIM оставляем висеть в воздухе (он внутри PT4115 подтянут к уровню 5В). При этом ток на выходе определяется исключительно сопротивлением R.

Если между выводом DIM и "землей" включить конденсатор, мы получим эффект плавного зажигания светодиодов. Время выхода на максимальную яркость будет зависеть от емкости конденсатора, чем она больше, тем дольше будет разгораться светильник.

Для справки: каждый нанофарад емкости увеличивает время включения на 0.8 мс.

Если же требуется сделать диммируемый драйвер для светодиодов с регулировкой яркости от 0 до 100%, то можно прибегнуть к одному из двух способов:

1. Первый способ предполагает подачу на вход DIM постоянного напряжения в диапазоне от 0 до 6В. При этом регулировка яркости от 0 до 100% осуществляется при напряжении на выводе DIM от 0.5 до 2.5 вольт. Увеличение напряжения выше 2.5 В (и вплоть до 6 В) никак не влияет на ток через светодиоды (яркость не меняется). Напротив, уменьшение напряжения до уровня 0.3В или ниже приводит к отключению схемы и переводу ее в режим ожидания (ток потребления при этом падает до 95 мкА). Таким образом, можно эффективно управлять работой драйвера без снятия напряжения питания.
2. Второй способ подразумевает подачу сигнала с широтно-импульсного преобразователя с выходной частотой 100-20000 Гц, яркость будет определяться коэффициентом заполнения (скважностью импульсов). Например, если высокий уровень будет держаться 1/4 часть периода, а низкий уровень, соответственно, 3/4, то это будет соответствовать уровню яркости в 25% от максимума. Надо понимать, что частота работы драйвера определяется индуктивностью дросселя и ни коем образом не зависит от частоты диммирования.

Схема драйвера светодиодов PT4115 с регулятором яркости постоянным напряжением представлена на рисунке ниже:

Такая схема регулировки яркости светодиодов прекрасно работает благодаря тому, что внутри микросхемы вывод DIM "подтянут" к шине 5В через резистор сопротивлением 200 кОм. Поэтому, когда ползунок потенциометра находится в крайнем нижнем положении, образуется делитель напряжения 200 + 200 кОм и на выводе DIM формируется потенциал 5/2=2.5В, что соответствует 100%-ой яркости.

Как работает схема

В первый момент времени, при подаче входного напряжения, ток через R и L равен нулю и встроенный в микросхему выходной ключ открыт. Ток через светодиоды начинает плавно нарастать. Скорость нарастания тока зависит от величины индуктивности и напряжения питания. Внутрисхемный компаратор сравнивает потенциалы до и после резистора R и, как только разница составит 115 мВ, на его выходе появляется низкий уровень, который закрывает выходной ключ.

Благодаря запасенной в индуктивности энергии, ток через светодиоды не исчезает мгновенно, а начинает плавно уменьшаться. Постепенно уменьшается и падение напряжения на резисторе R. Как только оно достигнет величины в 85 мВ, компаратор снова выдаст сигнал на открытие выходного ключа. И весь цикл повторяется сначала.

Если необходимо уменьшить размах пульсаций тока через светодиоды, допускается подключить конденсатор параллельно светодиодам. Чем больше будет его емкость, тем сильнее будет сглажена треугольная форма тока через светодиоды и тем более она станет похожа на синусоидальную. Конденсатор не влияет на рабочую частоту или эффективность работы драйвера, но увеличивает время установления заданного тока через светодиод.

Важные нюансы сборки

Важным элементом схемы является конденсатор C1. Он не просто сглаживает пульсации, но и компенсирует энергию, накопленную в катушке индуктивности в момент закрытия выходного ключа. Без C1 запасенная в дросселе энергия поступит через диод Шоттки на шину питания и может спровоцировать пробой микросхемы. Поэтому если включить драйвер без шунтирующего питание конденсатора, микросхема почти гарантированно накроется. И чем больше индуктивность дросселя, тем больше шансов спалить микруху.

Минимальная емкость конденсатора C1 - 4.7 мкФ (а при питании схемы пульсирующим напряжением после диодного моста - не менее 100 мкФ).

Конденсатор должен располагаться как можно ближе к микросхеме и иметь как можно более низкое значение ESR (т.е. танталовые кондеры приветствуются).

Также очень важно ответственно подойти к выбору диода. Он должен иметь малое прямое падение напряжения, короткое время восстановления во время переключения и стабильность параметров при повышении температуры p-n перехода, чтобы не допустить увеличения тока утечки.

В принципе, можно взять и обычный диод, но лучше всего под эти требования подходят диоды Шоттки. Например, STPS2H100A в SMD-исполнении (прямое напряжение 0.65V, обратное - 100V, ток в импульсе до 75А, рабочая температура до 156°C) или FR103 в корпусе DO-41 (обратное напряжение до 200V, ток до 30А, температура до 150°C). Очень неплохо себя показали распространенные SS34 , которые можно надергать из старых плат или купить целую пачку за 90 рублей .

Индуктивность дросселя зависит от выходного тока (см. таблицу ниже). Неверно выбранное значение индуктивности может привести к увеличению рассеиваемой на микросхеме мощности и выходу за пределы рабочего температурного режима.

При перегреве выше 160°C микросхема автоматически выключится и будет находиться в выключенном состоянии до тех пор пока не остынет до 140°C, после чего запустится автоматически.

Несмотря на имеющиеся табличные данные, допускается монтаж катушки с отклонением индуктивности в большую сторону от номинала. При этом изменяется КПД всей схемы, но она остается работоспособной.

Дроссель можно взять фабричный, а можно сделать своими руками из ферритового кольца от сгоревшей материнской платы и провода ПЭЛ-0,35.

Если важна максимальная автономность устройства (переносные светильники, фонари), то, в целях повышения эффективности схемы, имеет смысл потратить время на тщательный подбор дросселя. На малых токах индуктивность должна быть больше, чтобы минимизировать погрешности управления током, возникающие из-за задержки при переключении транзистора.

Дроссель должен располагаться как можно ближе к выводу SW, в идеале - подключен напрямую к нему.

И, наконец, самый прецизионный элемент схемы драйвера светодиода - резистор R. Как уже было сказано, его минимальное значение равно 0,082 Ом, что соответствует току 1,2 А.

К сожалению, не всегда удается найти резистор подходящего номинала, поэтому самое время вспомнить формулы расчета эквивалентного сопротивления при последовательном и параллельном включении резисторов:

• R посл = R 1 +R 2 +…+R n ;
• R пар = (R 1 xR 2) / (R 1 +R 2).

Комбинируя различные способы включения, можно получить требуемое сопротивление из нескольких имеющихся под рукой резисторов.

Важно так развести плату, чтобы ток диода Шоттки не протекал по дорожке между R и VIN, так как это может привести к погрешностям измерения тока нагрузки.

Низкая стоимость, высокая надежность и стабильность характеристик драйвера на РТ4115 способствует его повсеместному использованию в светодиодных лампах. Практически каждая вторая 12-вольтовая LED-лампа с цоколем MR16 собрана на PT4115 (или СL6808).

Сопротивление токозадающего резистора (в Омах) рассчитывается точно по такой же формуле:

R = 0.1 / I LED [A]

Типовая схема включения выглядит так:

Как видите, все очень похоже на схему светодиодной лампы с драйвером на РТ4515. Описание работы, уровни сигналов, особенности используемых элементов и компоновки печатной платы точно такие же как у , поэтому повторяться не имеет смысла.

CL6807 продают по 12 руб/шт, надо только смотреть, чтоб не подсунули паяные (рекомендую брать ).

SN3350

SN3350 - очередная недорогая микросхема для светодиодных драйверов (13 руб/штучка). Является практически полным аналогом PT4115 с той лишь разницей, что напряжение питания может лежать в диапазоне от 6 до 40 вольт, а максимальный выходной ток ограничен 750 миллиамперами (длительный ток не должен превышать 700 мА).

Как и все вышеописанные микросхемы, SN3350 представляет собой импульсный step-down преобразователь с функцией стабилизации выходного тока. Как обычно, ток в нагрузке (а в нашем случае в роли нагрузки выступают один или несколько светодиодов) задается сопротивлением резистора R:

R = 0.1 / I LED

Чтобы не превысить значение максимального выходного тока, сопротивление R не должно быть ниже 0.15 Ом.

Микросхема выпускается в двух корпусах: SOT23-5 (максимум 350 мА) и SOT89-5 (700 мА).

Как обычно, подавая постоянное напряжение на вывод ADJ, мы превращаем схему в простейший регулируемый драйвер для светодиодов.

Особенностью данной микросхемы является несколько иной диапазон регулировки: от 25% (0.3В) до 100% (1.2В). При снижении потенциала на выводе ADJ до 0.2В, микросхема переходит в спящий режим с потреблением в районе 60 мкА.

Типовая схема включения:

Остальные подробности смотрите в спецификации на микросхему (pdf-файл).

ZXLD1350

Не смотря на то, что эта микросхема является очередным клоном , некоторые отличия в технических характеристиках не допускают их прямую замену друг на друга.

Вот главные отличия:

• микросхема стартует уже при 4.8В, но на нормальный режим работы выходит только при напряжении питания от 7 до 30 Вольт (на полсекунды допускается подавать до 40В);
• максимальный ток нагрузки - 350 мА;
• сопротивление выходного ключа в открытом состоянии - 1.5 - 2 Ома;
• изменением потенциала на выводе ADJ от 0.3 до 2.5В можно менять выходной ток (яркость светодиода) в диапазоне от 25 до 200%. При напряжении 0.2В в течении, как минимум, 100 мкс, драйвер переходит в спящий режим с низким потреблением энергопотреблением (порядка 15-20 мкА);
• если регулировка осуществляется ШИМ-сигналом, то при частоте следования импульсов ниже 500 Гц, диапазон изменения яркости составляет 1-100%. Если же частота выше 10 кГц, то от 25% до 100%;

Максимальное напряжение, которое можно подавать на вход регулировки яркости (ADJ) составляет 6В. При этом в диапазоне от 2.5 до 6В драйвер выдает максимальный ток, который задан токоограничительным резистором. Сопротивление резистора рассчитывается точно так же, как во всех вышеперечисленных микросхемах:

R = 0.1 / I LED

Минимальное сопротивление резистора - 0.27 Ом.

Типовая схема включения ничем не отличается от своих собратьев:

Без конденсатора С1 подавать питание не схему НЕЛЬЗЯ!!! В лучшем случае микросхема будет перегреваться и выдавать нестабильные характеристики. В худшем случае - мгновенно выйдет из строя.

Более подробные характеристики ZXLD1350 можно найти в даташите на эту микросхему .

Стоимость микросхемы неоправданно высокая (), при том, что выходной ток довольно небольшой. В общем, сильно на любителя. Я б не связывался.

QX5241

QX5241 - это китайский аналог MAX16819 (MAX16820), но в более удобном корпусе. Также выпускается под наименованиями KF5241, 5241B. Имеет маркировку "5241a" (см. фото).

В одном известном магазине их продают чуть ли не на вес (10 штук за 90 руб).

Драйвер работает по точно такому же принципу, как и все вышеописанные (понижающий преобразователь непрерывного действия), однако не содержит в своем составе выходной ключ, поэтому для работы требуется подключение внешнего полевого транзистора.

Можно взять любой N-канальный MOSFET с подходящим током стока и напряжением сток-исток. Подойдут, например, такие: SQ2310ES (до 20V!!!), 40N06 , IRF7413 , IPD090N03L , IRF7201 . Вообще, чем ниже будет напряжение открытия, тем лучше.

Вот некоторые ключевые характеристики LED-драйвера на QX5241:

• максимальный выходной ток - 2.5 А;
• КПД до 96%;
• максимальная частота диммирования - 5 кГц;
• максимальная рабочая частота преобразователя - 1 МГц;
• точность стабилизации тока через светодиоды - 1%;
• напряжение питания - 5.5 - 36 Вольт (нормально работает и при 38!);
• выходной ток рассчитывается по формуле: R = 0.2 / I LED

Более подробно читайте в спецификации (на инглише).

Светодиодный драйвер на QX5241 содержит мало деталей и собирается всегда по такой схеме:

Микросхема 5241 бывает только в корпусе SOT23-6, так что со паяльником для пайки кастрюль к ней лучше не подходить. После монтажа плату следует хорошенько промывать от флюса, любые непонятные загрязнения могут негативно сказываться на режиме работы микросхемы.

Разница между питающим напряжением и суммарным падением напряжения на диодах должно быть вольта 4 (или больше). Если меньше - то наблюдаются какие-то глюки в работе (нестабильность тока и свист дросселя). Так что берите с запасом. Причем, чем больше выходной ток, тем больше запас по напряжению. Хотя, возможно, мне просто попался неудачный экземпляр микросхемы.

Если входное напряжение меньше, чем общее падение на светодиодах, то генерация срывается. При этом выходной полевик полностью открывается и светодиоды светятся (естественно, не на полную мощность, так как напряжения маловато).

AL9910

Diodes Incorporated создала одну весьма интересную микросхему драйвера светодиодов: AL9910. Любопытна она тем, что ее рабочий диапазон напряжений позволяет подключать ее прямо к сети 220В (через простой диодный выпрямитель).

Вот ее основные характеристики:

• входное напряжение - до 500В (до 277В для переменки);
• встроенный стабилизатор напряжения для питания микросхемы, не требующий гасящего резистора;
• возможность регулировки яркости путем изменения потенциала на управляющей ноге от 0.045 до 0.25В;
• встроенная защита от перегрева (срабатывает при 150°С);
• рабочая частота (25-300 кГц) задается внешним резистором;
• для работы необходим внешний полевой транзистор;
• выпускается в восьминогих корпусах SO-8 и SO-8EP.

Драйвер, собранный на микросхеме AL9910 не имеет гальванической развязки с сетью, поэтому должен использоваться только там, где невозможно прямое прикосновение к элементам схемы.

должны подключаться к электросети через специальные устройства, стабилизирующие ток – драйверы для светодиодов. Это преобразователи напряжения переменного тока 220 В в постоянный ток с необходимыми для работы световых диодов параметрами. Только при их наличии можно гарантировать стабильную работу, длительный срок эксплуатации LED-источников, заявленную яркость, защиту от короткого замыкания и перегрева. Выбор драйверов небольшой, поэтому лучше сначала приобрести преобразователь, а потом под него подбирать . Собрать устройство можно самостоятельно по простой схеме. О том, что такое драйвер для светодиода, какой купить и как правильно его использовать, читайте в нашем обзоре.

– это полупроводниковые элементы. За яркость их свечения отвечает ток, а не напряжение. Чтобы они работали, нужен стабильный ток, определенного значения. При p-n переходе падает напряжение на одинаковое количество вольт для каждого элемента. Обеспечить оптимальную работу LED-источников с учетом этих параметров – задача драйвера.

Какая именно нужна мощность и насколько падает при p-n переходе, должно быть указано в паспортных данных светодиодного прибора. Диапазон параметров преобразователя должен вписываться в эти значения.

По сути, драйвер – это . Но основной выходной параметр этого устройства – стабилизированный ток. Их производят по принципу ШИМ-преобразования с использованием специальных микросхем или на базе из транзисторов. Последние называют простыми.

Преобразователь питается от обычной сети, на выходе выдает напряжение заданного диапазона, которое указывается в виде двух чисел: минимального и максимального значения. Обычно от 3 В до нескольких десятков. Например, с помощью преобразователя с напряжением на выходе 9÷21 В и мощностью 780 мА можно обеспечить работу 3÷6 , каждый из которых создает падение в сети на 3 В.

Таким образом, драйвер – это устройство, преобразующее ток из сети 220 В под заданные параметры осветительного прибора, обеспечивающее его нормальную работу и долгий срок эксплуатации.

Где применяют

Спрос на преобразователи растет вместе с популярностью светодиодов. – это экономичные, мощные и компактные приборы. Их применяют в разнообразных целях:

• для фонарей ;
• в быту;
• для обустройства ;
• в автомобильных и велосипедных фарах;
• в небольших фонарях;

При подключении в сеть 220 В всегда нужен драйвер, в случае использования постоянного напряжения допустимо обойтись резистором.

Как работает устройство

Принцип работы LED-драйверов для светодиодов заключается в поддержании заданного тока на выходе, независимо от изменения напряжения. Ток, проходящий через сопротивления внутри прибора, стабилизируется и приобретает нужную частоту. Затем проходит через выпрямляющий диодный мост. На выходе получаем стабильный прямой ток, достаточный для работы определенного количества светодиодов.

Основные характеристики драйверов

Ключевые параметры приборов для преобразования тока, на которые нужно опираться при выборе:

1. Номинальная мощность устройства. Она указана в диапазоне. Максимальное значение обязательно должно быть немного больше, чем потребляемая мощность, подключаемого осветительного прибора.
2. Напряжение на выходе. Значение должно быть больше или равно общей сумме падения напряжения на каждом элементе схемы.
3. Номинальный ток. Должен соответствовать мощности прибора, чтобы обеспечивать достаточную яркость.

В зависимости от этих характеристик, определяют какие LED-источники можно подключить при помощи конкретного драйвера.

Виды преобразователей тока по типу устройства

Производятся драйверы двух типов: линейные и импульсные. У них одна функция, но сфера применения, технические особенности и стоимость различаются. Сравнение преобразователей разных типов представлено в таблице:

Как подобрать драйвер для светодиодов и рассчитать его технические параметры

Драйвер для светодиодной ленты не подойдет для мощного уличного фонаря и наоборот, поэтому необходимо как можно точнее рассчитать основные параметры устройства и учесть условия эксплуатации.

Преобразователи выпускаются в корпусе и без. Первые выглядят более эстетичными и имеют защиту от влаги и пыли, вторые используются при скрытом монтаже и стоят дешевле. Еще одна характеристика, которую необходимо учесть – допустимая температура эксплуатации. Для линейных и импульсных преобразователей она разная.

Важно! На упаковке с устройством должны быть указаны его основные параметры и производитель.

Способы подключения преобразователей тока

Светодиоды можно подключить к устройству двумя способами: параллельно (несколькими цепочками с одинаковым количеством элементов) и последовательно (один за одним в одной цепи).

Для соединения 6 элементов, падение напряжения которых составляет 2 В, параллельно в две линии понадобится драйвер 6 В на 600 мА. А при подключении последовательно преобразователь должен быть рассчитан на 12 В и 300 мА.

Последовательное подключение лучше тем, что все светодиоды будут светиться одинаково, тогда как при параллельном соединении яркость линий может различаться. При последовательном соединении большого количества элементов потребуется драйвер с большим выходным напряжением.

Диммируемые преобразователи тока для светодиодов

– это регулирование интенсивности света, исходящего от осветительного прибора. Диммируемые драйверы для позволяют изменять входные и выходные параметры тока. За счет этого увеличивается или уменьшается яркость свечения светодиодов. При использовании регулирования, возможно изменение цвета свечения. Если мощность меньше, то белые элементы могут стать желтыми, если больше, то синими.

Китайские драйверы: стоит ли экономить

Драйверы выпускаются в Китае в огромном количестве. Они отличаются низкой стоимостью, поэтому довольно востребованы. Имеют гальваническую развязку. Их технические параметры нередко завышены, поэтому при покупке дешевого устройства стоит это учесть.

Чаще всего это импульсные преобразователи, с мощностью 350÷700 мА. Далеко не всегда они имеют корпус, что даже удобно, если прибор приобретается с целью экспериментирования или обучения.

Недостатки китайской продукции:

• в качестве основы используются простые и дешевые микросхемы;
• устройства не имеют защиты от колебаний в сети и перегрева;
• создают радиопомехи;
• создают на выходе высокоуровневую пульсацию;
• служат недолго и не имеют гарантии.

Не все китайские драйверы плохие, выпускаются и более надежные устройства, например, на базе PT4115. Их можно применять для подключения бытовых LED-источников, фонариков, лент.

Срок службы драйверов

Срок эксплуатации лед драйвера для светодиодных светильников зависит от внешних условий и изначального качества устройства. Ориентировочный срок исправной службы драйвера от 20 до 100 тыс. часов.

Повлиять на срок службы могут такие факторы:

• перепады температурного режима;
• высокая влажность;
• скачки напряжения;
• неполная загруженность устройства (если драйвер рассчитан на 100 Вт, а использует 50 Вт, напряжение возвращается обратно, от чего возникает перегрузка).

Известные производители дают гарантию на драйверы, в среднем на 30 тыс. часов. Но если устройство использовалось неправильно, то ответственность несет покупатель. Если LED-источник не включается или , возможно, проблема в преобразователе, неправильном соединении, или неисправности самого осветительного прибора.

Как проверить драйвер для светодиодов на работоспособность смотрите в видео ниже:

Схема драйверов для светодиодов с регулятором яркости на базе РТ4115 своими руками

Простой преобразователь тока можно собрать на базе готовой китайской микросхемы PT4115. Она является достаточно надежной для применения. Характеристики микросхемы:

• КПД до 97%;
• есть вывод для устройства, регулирующего яркость;
• защищена от разрывов нагрузки;
• максимальное отклонение стабилизации 5%;
• входное напряжение 6÷30 В;
• мощность на выходе 1,2 А.

Микросхема подходит для питания LED-источника свыше 1 Вт. Имеет минимум компонентов обвязки.

Расшифровка выходов микросхемы:

• SW – выходной переключатель;
• DIM – диммирование;
• GND – сигнальный и питающий элемент;
• CIN – конденсатор
• CSN – датчик тока;
• VIN – напряжение питания.

Собрать драйвер на базе этой микросхемы может даже начинающий мастер.

Схема драйвера светодиодной лампы 220 В

Стабилизатор тока в случае со устанавливается в цоколе прибора. И выполняется на базе недорогих микросхем, например, СРС9909. Такие лампы обязательно оснащаются системой охлаждения. Служат они намного дольше, чем любые другие, но лучше отдавать предпочтение проверенным производителям, так как в китайских заметна ручная пайка, асимметрия, отсутствие термопасты и прочие недостатки, снижающие срок службы.

Как изготовить драйвер для светодиодов своими руками

Устройство можно сделать из любого ненужного зарядного устройства для телефона. Стоит внести лишь минимальные усовершенствования и микросхему можно подключать к светодиодам. Его достаточно для питания 3 элементов по 1 Вт. Для подключения более мощного источника можно использовать платы от люминесцентных ламп.

Важно! Во время работы необходимо соблюдать технику безопасности. Про прикосновении к оголенным частям возможен удар током как до 400 В.

Фото	Этап сборки драйвера из зарядного устройства
	Снять корпус с зарядного устройства.
	При помощи паяльника убрать резистор, который ограничивает напряжение, подаваемое к телефону.
	Установить на его место подстроечный резистор, пока его нужно выставить на 5 кОм.
	Последовательным соединением припаять светодиоды на выходной канал устройства.
	Убрать входные каналы паяльником, на их место припаять сетевой шнур для подключения к сети 220 В.
	Проверить работоспособность схемы, установить регулятором на подстроечном резисторе нужное напряжение, чтобы светодиоды светили ярко, но не изменили цвет.

Драйверы для светодиодов: где купить и сколько стоят

Приобрести стабилизаторы для светодиодных ламп и микросхемы к ним можно в магазине радиодеталей, электротехники и на многих торговых интернет-площадках. Последний вариант – самый экономичный. Стоимость устройства зависит от его технических характеристик, типа и производителя. Средние цены на некоторые виды драйверов приведены в таблице ниже.

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.

Недавно один знакомый попросил меня помочь с проблемой. Он занимается разработкой LED ламп, попутно ими приторговывая. У него скопилось некоторое количество ламп, работающих неправильно. Внешне это выражается так – при включении лампа вспыхивает на короткое время (менее секунды) на секунду гаснет и так повторяется бесконечно. Он дал мне на исследование три таких лампы, я проблему решил, неисправность оказалась очень интересной (прямо в стиле Эркюля Пуаро) и я хочу рассказать о пути поиска неисправности.

LED лампа выглядит вот так:

Рис 1. Внешний вид разобранной LED лампы

Разработчик применил любопытное решение – тепло от работающих светодиодов забирается тепловой трубкой и передается на классический алюминиевый радиатор. По словам автора, такое решение позволяет обеспечить правильный тепловой режим для светодиодов, минимизируя тепловую деградацию и обеспечивая максимально возможный срок службы диодов. Попутно увеличивается срок службы драйвера питания диодов, так как плата драйвера оказывается вынесенной из теплового контура и температура платы не превышает 50 градусов Цельсия.

Такое решение – разделить функциональные зоны излучения света, отвода тепла и генерации питающего тока – позволило получить высокие эксплуатационные характеристики лампы по надежности, долговечности и ремонтопригодности.
Минус таких ламп, как ни странно, прямо вытекает из ее плюсов – долговечная лампа не нужна производителям:). Историю о сговоре производителей ламп накаливания о максимальном сроке службы в 1000 часов все помнят?

Ну и не могу не отметить характерный внешний вид изделия. Мой «госконтроль» (жена) не разрешил мне ставить эти лампы в люстру, где они видны.

Вернемся к проблемам драйвера.

Вот так выглядит плата драйвера:

Рис 2. Внешний вид платы LED драйвера со стороны поверхностного монтажа

И с обратной стороны:

Рис 3. Внешний вид платы LED драйвера со стороны силовых деталей

Изучение ее под микроскопом позволило определить тип управляющей микросхемы – это MT7930. Это микросхема контроля обратноходового преобразователя (Fly Back), обвешанная разнообразными защитами, как новогодняя елка – игрушками.

В МТ7930 встроены защиты:

От превышения тока ключевого элемента
понижения напряжения питания
повышения напряжения питания
короткого замыкания в нагрузке и обрыва нагрузки.
от превышения температуры кристалла

Декларирование защиты от короткого замыкания в нагрузке для источника тока носит скорее маркетинговый характер:)

Принципиальной схемы на именно такой драйвер добыть не удалось, однако поиск в сети дал несколько очень похожих схем. Наиболее близкая приведена на рисунке:

Рис 4. LED Driver MT7930. Схема электрическая принципиальная

Анализ этой схемы и вдумчивое чтение мануала к микросхеме привело меня к выводу, что источник проблемы мигания – это срабатывание защиты после старта. Т.е. процедура начального запуска проходит (вспыхивание лампы – это оно и есть), но далее преобразователь выключается по какой-то из защит, конденсаторы питания разряжаются и цикл начинается заново.

Внимание! В схеме присутствуют опасные для жизни напряжения! Не повторять без должного понимания что вы делаете!

Для исследования сигналов осциллографом надо развязать схему от сети, чтобы не было гальванического контакта. Для этого я применил разделительный трансформатор. На балконе в запасах были найдены два трансформатора ТН36 еще советского производства, датированные 1975 годом. Ну, это вечные устройства, массивные, залитые полностью зеленым лаком. Подключил по схеме 220 – 24 – 24 -220. Т.е. сначала понизил напряжение до 24 вольт (4 вторичных обмотки по 6.3 вольта), а потом повысил. Наличие нескольких первичных обмоток с отводами дало мне возможность поиграть с разными напряжениями питания – от 110 вольт до 238 вольт. Такое решение конечно несколько избыточно, но вполне пригодно для одноразовых измерений.

Рис 5. Фото разделительного трансформатора

Из описания старта в мануале следует, что при подаче питания начинает заряжаться конденсатор С8 через резисторы R1 и R2 суммарным сопротивлением около 600 ком. Два резистора применены из требований безопасности, чтобы при пробое одного ток через эту цепь не превысил безопасного значения.

Итак, конденсатор по питанию медленно заряжается (это время порядка 300-400 мс) и когда напряжение на нем достигает уровня 18,5 вольт – запускается процедура старта преобразователя. Микросхема начинает генерировать последовательность импульсов на ключевой полевой транзистор, что приводит к возникновению напряжения на обмотке Na. Это напряжение используется двояко – для формирования импульсов обратной связи для контроля выходного тока (цепь R5 R6 C5) и для формирования напряжения рабочего питания микросхемы (цепь D2 R9). Одновременно в выходной цепи возникает ток, который и приводит к зажиганию лампы.

Почему же срабатывает защита и по какому именно параметру?

Первое предположение

Срабатывание защиты по превышению выходного напряжения?

Для проверки этого предположения я выпаял и проверил резисторы в цепи делителя (R5 10 ком и R6 39 ком). Не выпаивая их не проверить, поскольку через обмотку трансформатора они запараллелены. Элементы оказались исправны, но в какой-то момент схема заработала!

Я проверил осциллографом формы и напряжения сигналов во всех точках преобразователя и с удивлением убедился, что все они – полностью паспортные. Никаких отклонений от нормы…

Дал схеме поработать часок – все ОК.

А если дать ей остыть? После 20 минут в выключенном состоянии не работает.

Очень хорошо, видимо дело в нагреве какого-то элемента?

Но какого? И какие же параметры элемента могут уплывать?

В этой точке я сделал вывод, что на плате преобразователя имеется какой-то элемент, чувствительный к температуре. Нагрев этого элемента полностью нормализует работу схемы.
Что же это за элемент?

Второе предположение

Подозрение пало на трансформатор. Проблема мыслилась так – трансформатор из-за неточностей изготовления (скажем на пару витков недомотана обмотка) работает в области насыщения и из-за резкого падения индуктивности и резкого нарастания тока срабатывает защита по току полевого ключа. Это резистор R4 R8 R19 в цепи стока, сигнал с которого подается на вывод 8 (CS, видимо Current Sense) микросхемы и используется для цепи ОС по току и при превышении уставки в 2.4 вольта отключает генерацию для защиты полевого транзистора и трансформатора от повреждений. На исследуемой плате стоит параллельно два резистора R15 R16 с эквивалентным сопротивлением 2,3 ома.

Но насколько я знаю, параметры трансформатора при нагреве ухудшаются, т.е. поведение системы должно быть другим – включение, работа минут 5-10 и выключение. Трансформатор на плате весьма массивный и тепловая постоянная у него ну никак не менее единиц минут.
Может, конечно в нем есть короткозамкнутый виток, который исчезает при нагреве?

Перепайка трансформатора на гарантированно исправный была в тот момент невозможна (не привезли еще гарантированно рабочую плату), поэтому оставил этот вариант на потом, когда совсем версий не останется:). Плюс интуитивное ощущение – не оно. Я доверяю своей инженерной интуиции.

К этому моменту я проверил гипотезу о срабатывании защиты по току, уменьшив резистор ОС по току вдвое припайкой параллельно ему такого же – это никак не повлияло на моргание лампы.

Значит, с током полевого транзистора все нормально и превышения по току нет. Это было хорошо видно и по форме сигнала на экране осциллографа. Пик пилообразного сигнала составлял 1,8 вольта и явно не достигал значения в 2,4 вольта, при котором микросхема выключает генерацию.

К изменению нагрузки схема также оказалась нечувствительна – ни подсоединение второй головки параллельно, ни переключение прогретой головы на холодную и обратно ничего не меняло.

Третье предположение

Я исследовал напряжение питания микросхемы. При работе в штатном режиме все напряжения были абсолютно нормальными. В мигающем режиме тоже, насколько можно было судить по формам сигналов на экране осциллографа.

По прежнему, система мигала в холодном состоянии и начинала нормально работать при прогреве ножки трансформатора паяльником. Секунд 15 погреть – и все нормально заводится.

Прогрев микросхемы паяльником ничего не давал.

И очень смущало малое время нагрева… что там может за 15 секунд измениться?

В какой-то момент сел и методично, логически отсек все гарантированно работающее. Раз лампа загорается - значит цепи запуска исправны.
Раз нагревом платы удается запустить систему и она часами работает - значит и силовые системы исправны.
Остывает и перестает работать - что-то зависит от температуры…
Трещина на плате в цепи обратной связи? Остывает и сжимается, контакт нарушается, нагревается, расширяется и контакт восстанавливается?
Пролазил тестером холодную плату - нет обрывов.

Что же еще может мешать переходу от режима запуска в рабочий режим?!!!

От полной безнадеги интуитивно припаял параллельно электролитическому конденсатору 10 мкф на 35 вольт по питанию микросхемы такой же.

И тут наступило счастье. Заработало!

Замена конденсатора 10 мкф на 22 мкф полностью решило проблему.

Вот он, виновник проблемы:

Рис 6. Конденсатор с неправильной емкостью

Теперь стал понятен механизм неисправности. Схема имеет две цепи питания микросхемы. Первая, запускающая, медленно заряжает конденсатор С8 при подаче 220 вольт через резистор в 600 ком. После его заряда микросхема начинает генерировать импульсы для полевика, запуская силовую часть схемы. Это приводит к генерации питания для микросхемы в рабочем режиме на отдельной обмотке, которое поступает на конденсатор через диод с резистором. Сигнал с этой обмотки также используется для стабилизации выходного тока.

Пока система не вышла в рабочий режим - микросхема питается запасенной энергией в конденсаторе. И ее не хватало чуть-чуть - буквально пары-тройки процентов.
Падения напряжения оказалось достаточно, чтобы система защиты микросхемы срабатывала по пониженному питанию и отключала все. И цикл начинался заново.

Отловить эту просадку напряжения питания осциллографом не получалось - слишком грубая оценка. Мне казалось, что все нормально.

Прогрев же платы увеличивал емкость конденсатора на недостающие проценты - и энергии уже хватало на нормальный запуск.

Понятно, почему только некоторая часть драйверов отказала при полностью исправных элементах. Сыграло роль причудливое сочетание следующих факторов:

Малая емкость конденсатора по питанию. Положительную роль сыграл допуск на емкость электролитических конденсаторов (-20% +80%), т.е. емкости номиналом 10 мкф в 80% случаев имеют реальную емкость около 18 мкф. Со временем емкость уменьшается из-за высыхания электролита.
Положительная температурная зависимость емкости электролитических конденсаторов от температуры. Повышенная температура на месте выходного контроля - достаточно буквально пары-тройки градусов и емкости хватает для нормального запуска. Если предположить, что на месте выходного контроля было не 20 градусов, а 25-27, то этого оказалось достаточно для практически 100% прохождения выходного контроля.

Производитель драйверов сэкономил конечно, применив емкости меньшего номинала по сравнению с референс дизайн из мануала (там указано 22 мкф) но свежие емкости при повышенной температуре и с учетом разброса +80% позволили партию драйверов сдать заказчику. Заказчик получил вроде бы работающие драйверы, которые со временем стали отказывать по непонятной причине. Интересно было бы узнать – инженеры производителя учли особенности поведения электролитических конденсаторов при повышении температуры и естественный разброс или это получилось случайно?

Наверное, каждый, даже начинающий радиолюбитель знает, что для того чтобы подключить обычный светодиод к источнику питания нужен всего один резистор. А как быть если светодиод мощный? Ватт так на 10. Как быть тогда?
Я вам покажу способ сделать простой драйвер для мощного светодиода всего из двух компонентов.

Для стабилизатора-драйвера нам понадобиться:
1. Резистор – .
2. Микросхема – LM317 – .

Достоинства LM317

• Диапазон стабилизации напряжения от 1,7 (включая напряжение светодиода – 3 В) до 37 В. Отличная характеристика, для автомобилистов: яркость не будет плавать на любых оборотах;
• Выходной ток до 1,5 можно подключать несколько мощных светодиодов;
  Стабилизатор имеет встроенную систему защиты от перегрева и короткого замыкания.
• Минусовое питание светодиода в схеме включения берется от источника питания, поэтому при креплении к корпусу автомобиля уменьшается количество монтажных проводов, а корпус может играет роль большого теплоотвода для светодиода.

Схема драйвера для мощного светодиода

Если мощность вашего светодиода превышает 1 Вт, то микросхему необходимо установить на радиатор. Вообще LM317 рассчитана на ток до 1,5.
Питать нашу схему можно напряжение от 3 до 37 вольт. Согласитесь, солидный диапазон питания получается. Но чем больше напряжение, тем больше греется микросхема, учтите это.