Экономичные бюджетные светодиодные драйверы

В настоящее время найти драйвер для светодиодов не проблема — были бы деньги (иногда немалые) да время (дождаться посылки из Поднебесной). Поэтому те, для которых эти два фактора не являются решающими, дальше могут не читать. Написанное ниже предназначено для «рукоделов», которым продукт своего труда дороже чужих «жемчугов», в кармане не то, чтобы ветер гуляет, но и от излишка денег он не рвется, а результат хочется увидеть еще «вчера».

Итак, первое и главное положение: «Светодиоды — не лампочки и питаются не напряжением, а током!». Падение напряжения на светодиоде(-ах, включенных последовательно цепочкой) является параметром вторичным, зависит от тока через светодиод(ы) и учитывается исключительно для выбора драйвера, способного обеспечить нужный ток при напряжении, не меньше, чем падение напряжения на нем (них). Поэтому главной функцией светодиодного драйвера является формирование достаточно стабильного тока, питающего светодиоды. Идеальной стабилизации силы тока добиваться нет смысла, т.к. глазом небольшие колебания яркости в зависимости от колебаний силы тока практически незаметны, а схему могут серьезно усложнить. Сказанное выше частично относится и к светодиодным лентам, в которых «драйверами» являются токоограничительные резисторы, соединенные последовательно с цепочками светодиодов, состоящими, как правило, из трех штук.

Ради справедливости, следует отметить, что для питания светодиодов не оставляются попытки применения стабилизаторов напряжения (и даже работающих) [1].

Рис. 1 Светодиодный драйвер, выполненный на стабилизаторе напряжения [1]

Если для относительно маломощных светодиодов такие схемы еще допустимы, то для мощных светодиодов, к сожалению, не учитывается положительная зависимость ВАХ от температуры, что приводит к лавинообразному повышению протекающего через них тока по мере их разогрева.

Токостабилизирующие драйверы существуют двух видов:

1. линейные;
2. импульсные.

Линейные могут быть только понижающими, т.е., входное питающее напряжение должно быть в обязательном порядке выше, чем падение напряжения на цепочке светодиодов. КПД таких драйверов, как правило, невысок, однако, вследствие простоты схемы, их применение имеет свою нишу, в частности при относительно небольшой разнице между напряжением питания и падением напряжения на светодиодах и небольших токах питания последних. Импульсные же драйверы способны как понижать выходное напряжение, так и его повышать.

Ныне существует множество драйверных микросхем (например, MAX4080, MAX4081, LT494, LT1637, LT1672, LT1784, LTC2053, LTC6800, INA337 и т.п.) [2]) Все они хороши, если бы не два «НО»! а) Сто́ят они не так, чтобы дешево и б) достаточно дефицитны. А некоторые — так и вообще экзотика.

Важным параметром для применимости этих микросхем в качестве стабилизаторов тока, является опорное напряжение для компаратора обратной связи (ОС), от которого зависит падение напряжения на токоизмерительном шунте и, в конечном итоге, влияющее (в числе прочих факторов) на экономичность и КПД преобразователя. Для микросхем, позиционируемых, как стабилизаторы напряжения, этот параметр составляет порядка 1,25…1,5 В. Для специализированных токостабилизирующих микросхем как, например, NCP3065/NCP3066 — намного меньше, порядка 0,235 В. К сожалению, цены на вторые «кусаются». Поэтому основной задачей данной разработки было применение распространенных бюджетных микросхем стабилизаторов напряжения в качестве токостабилизирующих, с экономичностью, приближенной к специализированным микросхемам токовых стабилизаторов (а в идеале — даже превысить ее).

Из наиболее распространенных микросхем импульсных стабилизаторов напряжения можно назвать MC34063, найти которую можно чуть ли не в любой лавке, а сто́ит она в корпусе DIP-8 меньше $0,20 (в корпусе SO-8 — еще меньше). В конце концов, ее можно просто выпаять из старой аппаратуры (например, модемов, свичей, даже некоторых старых материнских плат). И все бы с ней было хорошо, если бы не довольно высокое значение опорного напряжения — 1,25 В (Рис. 2). Принцип стабилизации напряжения в данной микросхеме заключается в подержании потенциала на входе компаратора ОС (5-м выводе) на 1,25 В плюсовее, чем на входе «земли» (4-м выводе). Именно такое напряжение должно упасть на токоизмерительном резистивном шунте (R2), что вызывает его нагрев и существенно снижает КПД драйвера при достаточно высоких значениях тока питания светодиодов (порядка 0,7 А для 3-ваттных двухкристальных светодиодов, либо 1 А для 10-ваттных матриц).

Рис. 2 Схема простого токостабилизирующего драйвера на MC34063

Есть, конечно, методы обхода этой проблемы с использованием дополнительных ОУ (Рис. 3), усиливающих падение напряжения на токоизмерительном шунте (R1). Но это усложняет драйвер, а мы рассматриваем именно простые бюджетные схемы.

Рис. 3 Пример схемы светодиодного драйвера с токоизмерительным шунтом в минусовой шине питания и ОУ в качестве усилителя напряжения токового шунта [3]

Падение напряжения на токоизмерительном шунте R1, пропорциональное току через светодиоды, «разгоняется» ОУ до +1,25 В относительно 4-го вывода, подключенного к нулевой шине. Возникает вопрос: нельзя ли добиться этого иным, более простым способом? И этих песен у нас-таки есть! Для этого нужно искусственно суммировать выходное напряжение с токоизмерительного шунта с дополнительным напряжением, подаваемым на вход компаратора ОС. Скажем, +1 В. Тогда на R1 должно падать всего 0,25 В, что по эффективности уже сопоставимо с NCP3065/NCP3066. Откуда же взять это напряжение? Да с плюсовой шины питания, подключенной к 4-му выводу! Подобная схема была предложена одним из соавторов данной статьи несколько лет назад [4] для питания светодиода велофары.

Сущность данного технического решения заключается в замене резистивного делителя между выходом и общей шиной, подключенного ко входу компаратора ОС, делителем, образованным токоизмерительным шунтом (R2) и резистором подтяжки (R1) ко входному напряжению питания, причем, между токоизмерительным шунтом и входом компаратора ОС в включен низковольтный «стабилитрон» (Рис. 4), за счет которого из порогового напряжения срабатывания компаратора ОС вычитается напряжение, падающее на «стабилитроне». Оставшееся напряжение падает на токоизмерительном шунте.

Рис. 4 Принципиальная схема простого понижающего токостабилизирующего драйвера [4]

В случае применения в качестве «стабилитрона» кремниевого диода, на нем упадет всего около 0,65 В. При увеличении тока через светодиод падение напряжения на R2 возрастает, что приводит к снижению выходного напряжения, а значит, и тока (и наоборот). Следовательно, на токоизмерительном шунте должно упасть 1,25 — 0,65 = 0,6 В, что все-таки слишком много. На цепочке, составленной из диодов кремниевого и германиевого (или Шоттки), упадет около 1 В, что уже вполне приемлемо.

Как вариант, в качестве одного из диодов, можно использовать падение на базо-эмиттерном переходе транзистора (VT1) p-n-p структуры, включенного в виде эмиттерного повторителя (Рис. 5).

Рис. 5 Принципиальная схема варианта простого понижающего токостабилизирующего драйвера [4]

Работает данная схема аналогично приведенной на Рис. 4. На вход компаратора ОС (5-й вывод) микросхемы поступает положительное напряжение через резистор R1. Одновременно оно ограничивается падением напряжения на базо-эмиттерном переходе VT1. В принципе, этого было бы достаточно, чтобы «срезать» 0,65 В, если транзистор кремниевый, тогда на токоизмерительном шунте R2 должно упасть всего 0,6 В вместо 1,25 В. Неплохо, но хотелось бы еще меньше. Учитывая, что транзистор — p-n-p проводимости, а такая была у большинства старых германиевых транзисторов, можно какой-то из них и использовать, дополнив кремниевым диодом VD2. Суммарное падение на двух p-n переходах из разных материалов составит при этом около 1 В. Либо же возможен другой вариант: кремниевый транзистор и германиевый диод (Д2, Д9, ГДххх и т.п.). К сожалению, в настоящее время германиевые полупроводниковые приборы стали дефицитом.

Измерительная часть повышающего токостабилизирующего драйвера принципиально не отличается от понижающего (Рис. 6).

Рис. 6 Принципиальная схема простого повышающего токостабилизирующего драйвера

В этой схеме, аналогично Рис. 5, также возможно применение p-n-p транзистора вместо одного из диодов. С инвертирующим драйвером (Рис. 7) ситуация еще проще:

Рис. 7 Принципиальная схема простого инвертирующего токостабилизирующего драйвера

Напряжение на входе компаратора ОС просто стабилизируется относительно обшей шины параметрическим стабилизатором, образованным резистором R1 и «стабилитроном» VD2VD3, подключенным анодом не к токоизмерительному шунту, а непосредственно к общей шине, обеспечивая на нем потенциал +1 В относительно нулевой шины, тогда как на 4-й вывод поступает отрицательное напряжение с токоизмерительного шунта. Алгебраическое суммирование этих двух потенциалов дает ту же величину +1,25 В на входе компаратора ОС (5-м выводе) относительно «земляного» (4-го вывода).

При всей простоте описанного решения, оно обладает существенными недостатками, главные из которых следующие:

1. «Стабилитрон» из диодов либо транзистора и диода является нерегулируемым, что существенно ограничивает возможности выбора компонентов;
2. На напряжение, падающее на «стабилитроне» большое влияние оказывает температура.

Поэтому дальнейшее усовершенствование схемы пошло по пути использования более температурно-стабильного «стабилитрона» (миль пардон за тавтологию), в качестве которого применен шунтовый регулятор напряжения TL431. Решение было предложено соавтором данной статьи Hepo (Рис. 8). Похожее решение, но отличающееся по принципу работы, было описано в статьях [5, 6].

Рис. 8 Принцип построения токостабилизирующей цепи с использованием стабилизации шунтовым регулятором TL431

Принцип работы данной токостабилизирующей цепи заключается в следующем. Напряжение на делителе R1/R2+RS стабилизируется параметрическим стабилизатором RBDA1 на уровне, превышающем входное напряжение компаратора ОС. В данном случае — 2,5 В. Использование в качестве «стабилитрона» шунтового регулятора TL431 обусловлено исключительно его термостабильностью. Если таковая не важна — можно применить любой низковольтный стабилитрон (Рис. 9).

Рис. 9 Варианты стабилитронов для токостабилизирующей цепи

В отсутствие выходного напряжения, а следовательно, и тока, протекающего через светодиод(ы) HL1, напряжение в точке соединения R1R2 (а следовательно, и на входе компаратора ОС) ниже, чем требуемое для него пороговое, поскольку номинал RS составляет доли Ома (на Рис. 9 указано значение 1,15 В). Микросхема запускается в работу, на выходе появляется рабочее напряжение, а ток, протекающий через светодиод HL1, создает на токоизмерительном шунте RS определенное падение напряжения, пропорциональное протекающему через него току, за счет чего потенциал в точке соединения R1R2 (а следовательно, и на входе компаратора ОС) становится равным пороговому напряжению срабатывания компаратора, останавливающему работу микросхемы и вновь запускающему ее при падении тока через светодиод и, соответственно, через RS. Резистор R2 составлен из двух: основного R2.1 и подстроечного R2.2.

На основе описанного принципа спроектирован и изготовлен токостабилизирующий драйвер третьего стоп-сигнала для спорткара, выполненного на двух последовательно включенных светодиодных матрицах по 30 Вт (суммарно 60 Вт при суммарном падении напряжения на них порядка 60…66 В при токе 1 А и питании от бортовой сети легкового автомобиля напряжением 12 В). Для такого тока номинал токоизмерительного шунта составляет 0,1 Ома, что обеспечивает падение напряжения на нем всего 0,1 В и, следовательно, рассеиваемую мощность всего 0,1 Вт. Принципиальная схема собственно драйвера приведена на Рис. 10.

Рис. 10 Принципиальная схема токостабилизирующего драйвера для мощных светодиодных матриц

Режим работы данного стоп-сигнала заказчиком выбран мигающим. Управление драйвером выполнено на таймере NE555 (Рис. 11).

Рис. 11 Принципиальная схема управления светодиодным драйвером стоп-сигнала

Отличительной особенностью самого драйвера является цепь VT1R7R8R9, защищающая ключевой транзистор VT3 от пробоя высоким напряжением при обрыве контакта со светодиодами. Делитель R8R9 с коэффициентом деления 1:120. При выходном напряжении более 80 на базе транзистора VT1 появляется напряжение, превышающее 0,7 В, он открывается и шунтирует на общую шину первый каскад выходного ключа. Такой принцип защиты описан в [7], но опять же, сама его схемотехническая реализация была другой.

К этому же выводу по схеме «проводного ИЛИ» подключен и 7-й вывод таймера (с открытым коллектором), разрешающий работу драйвера при единичном состоянии на 3-м выводе (состояние формирования выходного импульса). Аналогов подобного метода управления не найдено. Это не значит, что их нет вообще, но авторам статьи в открытом доступе они не встречались.

Фото готовых драйверов показано на Рис. 12, а сам стоп-сигнал (в разобранном виде) — на рис. 13. Светодиодные матрицы прикреплены к алюминиевому радиатору. За счет кратковременности работы стоп-сигнала тепловой режим рассеивания мощности матрицами в закрытом корпусе не критичен.

Рис. 12 Фото драйверов стоп-сигнала

Рис. 13 Фото стоп-сигнала

Следует отметить, что для таких токов весьма существенной является топология печатной платы. Первый вариант ее разводки не позволил поднять ток через светодиоды более 0,7 А при любом соотношении номиналов делителя R3R4R5R6. После ее переразводки с оптимизацией дорожек (Рис. 14) максимальное значение удалось поднять до 1,2 А, что свидетельствует о неоптимальности и этого варианта. Поэтому файл с печатной платой и не прикладывается. Но заказчика работа стоп-сигнала полностью удовлетворила и дальнейшей оптимизации разводки не производилось.

Рис. 14 Печатная плата мощного светодиодного драйвера

До сих пор речь шла о токостабилизирующих драйверах, выполненных на микросхеме MC34063, однако, сам описанный выше принцип стабилизации тока позволяет применить его для практически любого импульсного преобразователя-стабилизатора напряжения.

В качестве «подопытного кролика» был выбран повышающий стабилизатор на микросхеме SDB6826 китайского производства. Его исходная схема приведена на Рис. 15, а переделанная под токостабилизацию — на Рис. 16. Платы импульсных преобразователей до и после переделки показаны на Рис. 17.

Рис. 15 Принципиальная схема повышающего стабилизатора напряжения на SDB6826 [8]

Рис. 16 Принципиальная схема переделки импульсного стабилизатора напряжения на SDB6826 под стабилизацию тока

Рис. 17 Платы повышающих импульсных преобразователей на основе микросхемы SDB6826
Слева вверху — до переделки; справа внизу — после переделки.

Переделанная плата была использована для питания трех последовательно включенных белых светодиодов мощностью по 3 Вт током 300 мА от одного литиевого аккумулятора 18650 в ручном фонарике (Рис. 18). КПД составил 91%.

Рис. 18 Повышающий драйвер для ручного светодиодного фонарика

Вторым «подопытным кроликом» стала опять же готовая плата понижающего стабилизатора напряжения на микросхеме LM2596S [9] для питания 10-ваттной белой светодиодной матрицы от гелевого 12-вольтового аккумулятора током 1 А. Стабилизация тока сохранялась при питании от свежезаряженного аккумулятора (13,4 В) и прекращалась при снижении питающего напряжения ниже 12,2 В, что можно объяснить значительным напряжением насыщения биполярного ключевого транзистора данной микросхемы, работающего по схеме включения с общим коллектором. К сожалению, фото, иллюстрирующие этот экспериент, не сохранились. По его результатам стала очевидной необходимость применения внешнего ключевого транзистора, как на схеме по Рис. 8.

Экспериментов с инвертирующим драйвером не производилось.

Таким образом, экспериментально подтверждена применимость использования различных микросхем, позиционируемых, как стабилизаторы напряжения, в качестве стабилизаторов тока для светодиодов, обеспечивающих минимальные потери на токоизмерительном шунте.

Литература

1. Баширов, А. Карманный фонарь на мощном светодиоде / А. Баширов, С. Баширов.– Радио,  2009, № 6.– С. 51-52.
2. Микросхемы для измерения тока http://www.kit-e.ru/articles/chip/2006_10_116.php
3. Подключение светодиодов: практика http://we.easyelectronics.ru/Theory/podklyuchenie-svetodiodov-praktika.html
4. http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?p=334232#p334232
5. варп Блок питания (инвертор) с адаптивным ограничением тока / варп.– //cxem.net/pitanie/5-292.php;
6. варп Блок питания (инвертор) с адаптивным ограничением тока (часть 2) / варп.– //cxem.net/pitanie/5-293.php
7. Горбатых, В. Освещение салона сверхъяркими светодиодами / В. Горбатых.– Радио, 2009, № 10.– С. 43-44.
8. SDB628 High Efficiency 1.2 MHz 2 A Step Up Converter (Datasheet).– http://hfdx.at.ua/_fr/7/SDB628.pdf
9. LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator (Datasheet).– http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf

В соавторстве с Hepo

Теги:

• Светодиод
• LED драйвер
• Стабилизатор