Драйвер светодиода на микросхеме ST1S10

Чтобы собрать драйвер светодиода с высоким КПД, необходимо подобрать преобразователь с полевыми транзисторами в выходном каскаде, собранный по синхронной топологии, которая позволяет избежать лишних потерь энергии на выпрямительном диоде. Про принцип работы синхронного преобразователя в статье не рассказывается, так как информации полно в интернете. Итак, выбор пал на микросхему ST1S10 производства ST Microelectronics:

Выбор сделан не случайно, а именно по следующим критериям:

• малая цена;
• синхронная топология;
• выходной каскад интегрирован в корпус, и выполнен на полевых транзисторах;
• малое число внешних компонентов, т.к. для синхронной топологии не требуется выпрямительный диод, а выходной каскад встроен в микросхему;
• высокий КПД (не менее 90 %);
• легко паяемый корпус SOIC-8E.

Изначально схема из даташита выглядит вот так:

При таком включении схема является преобразователем со стабилизацией по напряжению. Но мне нужна стабилизация по току, так как я собираюсь питать светодиоды. Поэтому я добавил в схему шунт, операционный усилитель LM358, и подключил всё это дело к микросхеме преобразователя ST1S10. Ну и ещё добавил некоторые мелочи типа индикатора питания, итд. Схема приобрела следующий вид:

Настройка выходного тока осуществляется подбором номиналов резисторов R2 и R3. Предположим, нам нужно рассчитать сопротивления резисторов R2 и R3 для выходного тока 0,65А. Для начала рассчитаем напряжение, падающее на шунте R1 при протекании тока 0.65А.

R_шунта * I_светодиода = U_падения_шунта
0,051 * 0,65 = 0,03315

При протекании тока 0,65А напряжение на шунте R1 составит 0,03315 Вольт. Нам нужно усилить это напряжение в N раз, чтобы получить напряжение компаратора ST1S10. Смотрим в даташит. Напряжение компаратора ST1S10 составляет 0,8 Вольт. Рассчитаем коэффициент усиления ОУ:

U_компаратора / U_падения_шунта = N_раз_усиление_оу
0,8 / 0,03315 = 24,13

Нам нужно усилить напряжение на шунте в 24,13 раз. Для этого в схеме применён ОУ LM358, включенный по схеме неинвертирующего усилителя. Резисторы R2 и R3 задают коэффициент усиления, который рассчитывается по формуле:

N_раз_усиление_оу = 1 + ( R2 / R3 )

Немного изменим формулу - вынесем единичку из под знака равенства:

24,13 = 1 + ( R2 / R3 )
24,13 - 1 = 23,13
23,13 = ( R2 / R3 )

Таким образом, соотношение сопротивлений R2/R3 должно быть примерно 23,13. Подбираем любые номиналы, которые нам удобны.
Например, 51K / 2,2K = 23,18
Считаем получившийся ток на выходе драйвера:

0,8 / 23,18 = 0,0345125107851596
0,0345125107851596 / 0,051 = 0,6767158977482279

Ток на выходе составит 676 мА, если не учитывать погрешность резисторов. С учётом погрешности резисторов, возможно потребуется подгонка номиналов под конкретный ток. Я использовал резисторы с погрешностью 5%, поэтому ток получился немного не по расчётам (получилось примерно 710 мА). Чтобы избежать подобных проблем, можно использовать резисторы с погрешностью не более 1%.

К выходу драйвера я подключил 2 светодиода, соединённых последовательно. Каждый светодиод мощностью 3 Вт, номинальный ток 700 мА. Светодиоды я закрепил на процессорном радиаторе от компа. Максимально допустимое напряжение питания схемы 18 Вольт. Минимальное напряжение питания равно напряжению падения на светодиодах + 1...2 B.

Радиатор:

Фото платы, вид сверху. Вместо индуктивности на 3,3 мкГн установлена индуктивность на 47 мкГн:

Вид со стороны дорожек. Вместо операционного усилителя LM358 применён TL3472C:

Размеры платы:

Светлые провода идут к светодиодам. Нижний провод "+", верхний провод "-".

Ниже в таблице можно посмотреть получившийся КПД драйвера. Китайский мультиметр, которым проводились измерения, немного врёт, такчто цифры примерные. Однозначно могу сказать, что КПД выше 90% судя по малому нагреву схемы.

Операционный усилитель LM358 можно заменить на любой другой, работающий от однополярного питания, с максимальным напряжением питания более 18 Вольт. Например, LM158, LM258, LM2904, AD8066, LM392DR, LT1013D, MAX9944ASA+, MAX44246ASA+, MAX44248ASA+, TL3472. Возможно потребуется корректировка платы под другие ОУ, если распиновка будет иная. Сопротивление шунта-резистора R1 может быть в пределах 30...100 милиОм (или 0,03...0,1 Ом), При использовании номинала R1 отличного от схемы, необходимо резисторами R2 и R3 установить желаемый выходной ток драйвера (формула есть в статье выше). Максимальный выходной ток микросхемы - 3 А (КПД при максимальной нагрузке немного снижается).

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Светодиод
• Sprint-Layout