+7 495 120-13-73 | 8 800 500-97-74

(для регионов бесплатно)

Источник тока для мощных светодиодов с питанием от сети 220 В 50 Гц
Импульсный блок питания светодиодов представляет собой выпрямитель с фильтром и понижающий преобразователь с обратной связью по току. Для построения источников тока для мощных светодиодов часто используются микросхемы ШИМ-контроллеры Supertex HV9910B, HV9961. Стандартные схемы включения этих микросхем мало отличаются, при некоторых условиях они взаимозаменяемы. HV9961 более дорогая, т.к. обеспечивает контроль среднего тока светодиодов, а не пикового. Есть другие отличия, о которых можно прочесть на сайте производителя, документ AN-H64. Я взял HV9961, говорят, она более живуча.
Расчет, изготовление и тестирование источника на микросхеме HV9961 под катом.

Мне нужен был блок, питающий током 750 мА 10 СИДов Cree XM-L. Оценим выходное напряжение блока: Vout = 10 * Vled при 750 мА = 29 В. Пусть пульсации тока будут меньше +-15% (я не знаю, как их величина влияет на работу светодиодов). Имелся корпус G1022BF, что накладывает ограничения на размер платы блока питания. Таким образом, исходные данные:
напряжение питания: 220 В, 50 Гц;
выходное напряжение: 30 В;
выходной ток: 750 мА;
пульсации тока: менее +-15%;
размер платы: менее 100х60 мм.

За основу берем стандартную схему включения:

Это понижающий преобразователь, для простоты ток измеряется в цепи истока переключающего транзистора и усредняется. На контакт Vin можно подавать высокое напряжение, которое питает встроенный регулятор напряжения 7,5 В, вывод регулятора – Vdd. PWMD и LD служат для плавной регулировки тока светодиодов. Резистор Rt задает частоту переключения (точнее, время паузы), Rcs – ток на СИДах. При питании от сети 220 нужно добавить выпрямитель и фильтр.

Расчет схемы

1. Частота переключения. Частота переключения в схеме не фиксированная, задается только время паузы. Для номинальных напряжений на входе (310 В после выпрямителя) и выходе коэффициент заполнения . С другой стороны, , где tu – время проводимости, tn – время паузы, f – частота переключения. Сопротивление резистора Rt определяется из выражения . Возьмем

Rt = 330 кОм, это соответствует времени паузы 13,5 мкс и номинальной частоте 73 кГц. Чем выше частота, тем меньшего размера будет катушка и тем больше потери на переключение на транзисторе.

2. Регулировка тока. Токозадающий резистор. Rcs = 0.272 В / Iled = 0,363 Ом. Я решил взять Rcs = 0,33 Ом, т.е. 3 резистора по 1 Ом в параллель, что соответствует току 824 мА и сделать плавную регулировку тока с помощью вывода LD микросхемы. В описании сказано, что регулировка тока осуществляется, когда на выводе LD напряжение от 0 до 1,5 В. Подключаем делитель напряжения к напряжению 7,5 В. Необходимые сопротивления несложно посчитать, результат показан на окончательной схеме.
Можно проверить, сколько мощности выделяется на токозадающих резисторах: 824 Ма*272 мВ = 224 мВт, на каждом резисторе 75 мВт. Используем типоразмер 0805 (125 мВт).

3. Катушка индуктивности. Для пульсаций тока менее +-15% (полный размах 0,3*750 мА) индуктивность должна быть больше

Пиковый ток на катушке будет 750 мА +15% = 863 мА. Готовые катушки с такими параметрами найти непросто, поэтому придется изготавливать самостоятельно.
Имелся эмальпровод с внешним диаметром 0,7 мм, исходя из этого, по прикидочным расчетам был подобран сердечник КВ10 (аналог RM10), феррит М2500НМС1 (аналог N27).
Кратко опишу расчет дросселя. Чтобы сердечник не насыщался, необходимо ввести зазор. В начале наматываем максимальное число витков, которые влезают в окно сердечника. У меня получилось 6 слоев по 15 витков с запасом для компаунда, всего 90 витков. Далее вводим максимальный зазор для необходимой индуктивности. Можно считать вручную, я считал в программе EPCOS MDT для RM10 N27. Получаем для суммарного зазора 0,6 мм (прокладки между сердечниками по 0,3 мм) значение Al = 200 нГн и L= Al * N^2 =

1,62 мГн. Индуктивность получилась немного меньше, значит пульсации побольше +-15%, что меня устроило.
Теперь надо посчитать индукцию при максимальном токе и убедиться, что сердечник не насыщается. По формуле 8 из [2] и данным из программы (Al = 200 нГн, mui = 71) для тока 1 А (с запасом) получаем индукцию 183 мТл, что меньше 300 мТл и, значит, насыщения нет.
В итоге изготавливаем дроссель на сердечнике КВ10 М2500НМС1 с прокладками 0,3 мм с 90 витками эмальпроводом с внешним диаметром 0,7 мм. Желательно залить клеем или лаком после изготовления.

4. Транзистор. Транзистор должен с запасом выдерживать максимальное входное напряжение 310 В. Выберем транзистор с максимальным напряжением сток-исток 500 В. Максимальный среднеквадратичный ток через транзистор Iout*sqrt(Vout/Vin) = 240 мА. Ток небольшой, его выдержит любой мощный полевик. Главный параметр для выбора – емкость или заряд затвора. Производитель микросхемы рекомендует заряд менее 25 нКл. Я взял IRF830A с максимальным зарядом затвора 24 нКл. Мощность, выделяющуюся на полевике, посчитать непросто, но радиатор явно не помешает.

5. Диод. Для диода те же требования по напряжению, что и для транзистора. Средний ток через диод Iout*(1 – Vout/Vin) = 680 мА. Выбираем SF28 600 В, 2 А. Падение напряжения на нем 1,5 В, значит будет выделяться мощность 1,5 В* 0,68 А = 1 Вт. Я решил использовать диод без радиатора. Для диода еще важным считается параметр время обратного восстановления, от него зависят потери на переключение, но расчет их довольно сложный и я его не проводил.

6. Входной конденсатор. Емкость выбирается исходя из условия, что минимальное напряжение после входного фильтра должно быть больше 2*Vout. В AN-h58 есть формула для расчета:

Для частоты 50 Гц, Vdc = 60 В и КПД 90% получаем С1>6,5 мкФ. Был выбран конденсатор 47 мкФ, 400 В исходя из габаритов и доступности. Параллельно установлен пленочный 0,47 мкФ 450 В для уменьшения ESR.
Замечание от sanmigel:

если внимательно почитать документацию на 9910 то можно увидеть что условие Vout<0.5 Vin имеет значение для режима с постоянной частотой, в этом режиме при коэффициенте заполнения более 0,5 лезут гармоники, поэтому для их снижения рекомендуют его ограничить в 0,5. 9961 работает в режиме констант офф тайм, в таком режиме коэффициент заполнения для 9961 может быть до 0,75 (для 9910 до 0,8). Дока

Окончательная схема:

Схема в пдф
Кратко об остальных элементах схемы:
F1 – предохранитель 2 А, может быть, лучше поставить на меньший ток. С1 – фильтр от помех в сеть, подсмотрено в демоплате Supertex, можно не устанавливать. DB104S – диодный мост 400 В, 1 А. RT1 – NTC термистор, он ограничивает ток при включении источника, подробнее можно почитать здесь. Термистор устанавливать не обязательно. C4 – выходная емкость для уменьшения высокочастотных выбросов на нагрузке. D2 – стабилитрон на 75 В, улучшает тепловой режим микросхемы HV9961. Можно считать, что HV9961 потребляет 2 мА, тогда на стабилитроне выделяется мощность 150 мВт, на микросхеме 600 мВт. P3 – джампер для отключения источника, включенное положение – средний контакт замкнут на питание. С6 обеспечивает мягкий старт, ставить не обязательно. С5 – блокировочнй конденсатор, ставить обязательно, емкость около 0,1 – 2,2 мкФ.

Печатная плата

Трассировка играет важную роль в работе импульсных преобразователей, поэтому печать делалась на основе платы производителя.
Получилась двухсторонняя плата 95 х 55 мм, при желании можно верхнюю сторону сделать двумя перемычками.

Плата в пдф под ЛУТ
Проект Altium Designer
Входной и выходной разъемы с шагом 3,96 мм, джампер с шагом 2,54 мм, подстроечник типа 3296W. Предусмотрено место для радиатора транзистора. Используется держатель для предохранителей 5*20. Конденсатор С2 имеет размер 16*25 мм. Конденсатор C1 тип B32922-A2104-K, конденсаторы С3 и С4 – тип B43828A9476M000.

После сборки:


Плату можно использовать и для HV9910B, но надо будет пересчитать резисторы для плавной регулировки тока, чтобы напряжение на выводе LD было 0-250 мВ и токозадающие резисторы исходя из напряжения 250 мВ на них. Еще одно отличие – резисторами будет устанавливаться пиковый ток, а не средний.

Результаты тестирования.

Схема была подключена к сети 220, в качестве нагрузки были использованы 10 белых светодиодов Cree XR-E, ток был установлен на уровне 840 мА.
Ток (желт., 200 мА/дел) и напряжение (син., 100 В/дел) на входе:

Пиковый ток потребления около 400 мА.

Напряжение на истоке транзистора:


Напряжение на затворе:


Напряжение на стоке:


Ток (желт., 455 мА/дел) и напряжение (син., 10 В/дел) на выходе:

Средний ток около 850 мА, среднее напряжение около 36 В. В данном случае, в выходное напряжение входит также падение напряжения на резисторе 2,2 Ом, который включался для измерения тока.

Пульсации тока (желт., 45,5 мА/дел) и напряжения (син., 500 мВ/дел) на выходе:

Пульсации тока менее 140 мА, т.е. 16%.

Оценка КПД. У меня нет true RMS мультиметра, поэтому точность измерения входного тока под вопросом. Действующее значение входного тока 141 мА, входного напряжения 227 В, входная мощность 32 Вт. Средний выходной ток 840 мА, выходное напряжение 33,5 В, выходная мощность 28 Вт. Получается КПД 87,5%.

Температурный режим. При комнатной температуре 23 С радиатор транзистора разогревается до 67 С, остальные элементы схемы нагреваются меньше. Лучше поставить радиатор побольше.

Я постарался подробно описать процесс расчета схемы импульсного преобразователя, надеюсь, эта информация поможет читателю в его разработках.
Схемы других источников тока для светодиодов можно посмотреть в теме на форуме easyelectronics.ru.
Критикуйте и задавайте вопросы, пожалуйста! 🙂

Литература.
[1] Б. Ю. Семенов — Силовая электроника для любителей и профессионалов.
[2] А. Кузнецов – Трансформаторы и дроссели для импульсных источников питания members.kern.com.au/users/akouz/chokes.html
[3] А. Евстифеев — Практический опыт применения микросхемы Supertex HV9910 www.kit-e.ru/assets/files/pdf/2009_12_78.pdf

Немного об основах схемотехники светодиодных ламп / Хабр
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.

К слову, о белых светодиодахПонятное 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.

Мы уже разобрались, что в схемотехническом смысле светодиод отличается от любого другого диода только значениями параметров. Здесь надо сказать, что прибор это принципиально нелинейный; то есть, знакомому со школы закону Ома он совершенно не подчиняется. Зависимость тока от приложенного напряжения на таких устройствах описывается т.н. вольт-амперной характеристикой (ВАХ), причем для диода она носит экспоненциальный характер. Из этого следует, что самое незначительное изменение приложенного напряжения приводит к огромному изменению тока, но и это еще не все – при изменении температуры (а также старении) ВАХ смещается. Кроме этого, положение ВАХ слегка разное для разных диодов. Оговорю отдельно – не только для каждого типа, но для каждого экземпляра, даже из одной партии. По этой причине распределение тока через диоды, включенные параллельно, обязательно будет неравномерным, что не может хорошо сказаться на долговечности конструкции. При изготовлении матриц стараются либо использовать последовательное включение, что решает проблему в корне, либо выбирать диоды с примерно одинаковым прямым падением напряжения. Чтобы облегчить задачу, производители обычно указывают так называемый «бин» — код выборки по параметрам (по напряжению в том числе), в которую попадает конкретный экземпляр.


ВАХ белого светодиода.

Соответственно, чтобы все работало хорошо, светодиод необходимо подключать к устройству, которое вне зависимости от внешних факторов будет с высокой точностью автоматически подбирать такое напряжение, при котором в цепи протекает заданный ток (например, 350 мА для одноваттных светодиодов), причем контролировать процесс непрерывно. Вообще, такое устройство называется источником тока, но в случае светодиодов в наши дни модно употреблять заморское слово «драйвер». В целом, драйвером часто называют решения, главным образом предназначенные для работы в конкретном применении – например, «драйвер MOSFET» — микросхема, предназначенная для управления конкретно мощными полевыми транзисторами, «драйвер семисегментного индикатора» — решение для управления конкретно семисегментниками, и т.д. То есть, называя источник тока драйвером светодиодов, люди намекают, что этот источник тока по задумке предназначен именно для работы со светодиодами. Например, он может иметь специфичные функции – что-нибудь в духе наличия светового интерфейса DMX-512, определения обрыва и короткого замыкания на выходе (а обычный источник тока, вообще, должен без проблем работать и на короткое замыкание), и т.п. Тем не менее, понятия часто путают, и, например, называют драйвером самый обычный адаптер (источник напряжения!) для светодиодных лент.

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.

Содержание

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.

Лирическое отступление«Микрофарад» сокращется именно как «мкФ». Я останавливаюсь на этом потому, что достаточно часто вижу людей, пишущих в этом контексте «мФ», в то время как последнее — сокращение от «миллифарад», то есть 1000 мкФ. По-английски «микрофарад», опять же, пишется отнюдь не как «mkF», но, напротив, «uF». Это потому, что буква «u» напоминает букву «μ» с оторванным хвостиком.

Итак, 1 Ф/F = 1000 мФ/mF = 1000000 мкФ/uF/μF, и никак иначе!

Кроме того, «Фарад» — мужского рода, так как назван в честь великого физика-мужчины. Так что, «четыре микрофарада», но не «четыре микрофарады»!

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.

Лирическое отступлениеОбратноходовый 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).

Пожалуй это все, что в первом приближении можно сказать на тему электроники светодиодных ламп. Надеюсь, что этой статьей я в какой-то мере ответил на все вопросы схемотехнического толка, которые были заданы мне в комментариях и личных сообщениях.

Питание светодиодов с помощью ZXSC300

Давиденко Юрий. г. Луганск
Адрес Email —
david_ukr (at) list.ru
(замените (at) на @)

Целесообразность использования светодиодов в фонарях, велофарах, в устройствах местного и дежурного освещениям на сегодняшний день не вызывает сомнений. Светоотдача и мощность светодиодов растет, а цены на них падают. Источников света, в которых вместо привычной лампы накаливания используются светодиоды белого свечения становиться всё больше и купить их не составляет труда. Магазины и рынки заполнены светодиодной продукцией китайского производства. Но качество этой продукции оставляет желать лучшего. По этому возникает необходимость в модернизации доступных (в первую очередь по цене) светодиодных источников света. Да и заменить лампы накаливания на светодиоды в добротных фонарях советского производства тоже имеет смысл. Надеюсь, что приведенная далее информация будет не лишней.

Как известно, светодиод имеет нелинейную вольтамперную характеристику с характерной «пяткой» на начальном участке.

Рис. 1 Вольт-амперная характерисика светодиода белого свечения.

Как мы видим, светодиод начинает светиться, если на него подано напряжение больше 2,7 В. При питании его от гальванической или аккумуляторной батареи, напряжение которой процессе эксплуатации постепенно уменьшается, яркость излучения будет изменяться широких пределах. Чтобы избежать, этого необходимо питать светодиод стабилизированным током. А ток должен быть номинальным для данного типа светодиода. Обычно для стандартных 5-мм светодиодов он составляет среднем 20 мА.

По этой причине приходится применять электронные стабилизаторы тока, которые ограничивают стабилизируют ток, протекающий через светодиод. Часто бывает необходимо запитать светодиод от одного или двух элементов питания напряжением 1,2 – 2,5 В. Для этого используют повышающие преобразователи напряжения. Поскольку любой светодиод является, по сути, токовым прибором, точки зрения энергоэффективности выгодно обеспечивать прямое управление током, протекающим через него. Это позволяет исключить потери, возникающие на балластном (токоограничительном) резисторе.

Одним из оптимальных вариантов питания различных светодиодов от автономных источников тока небольшого напряжения 1-5 вольт является использование специализированной микросхемы ZXSC300 фирмы ZETEX. ZXSC300 это импульсный (индуктивный) повышающий преобразователь DC-DC c частотно-импульсной модуляцией.

Особенности:
  • Контроллер PFM (Pulse Frequency Modulation)
  • КПД — 94%
  • Входное рабочего напряжения — 0,8 -9 В
  • Стабилизированный выходной ток
  • Рассеиваемая мощность — 450 мВт
  • Диапазон рабочих температур —40:85 0С
  • Рабочая частота (оптимальная) — 200 кГц
  • Корпус SOT23-5

Рассмотрим принцип работы ZXSC300.

На рисунке Рис.2 показана одна из типовых схем питания белого светодиода импульсным током с помощью ZXSC300. Импульсный режим питания светодиода позволяет максимально эффективно использовать энергию, имеющуюся в батарейке или аккумуляторе.

Кроме самой микросхемы ZXSC300 преобразователь содержит: элемент питания 1,5 В, накопительный дроссель L1, силовой ключ – транзистор VT1, датчик тока – R1.

Работает преобразователь традиционным для него образом. В течение некоторого времени за счет импульса, поступающего с генератора G (через драйвер), транзистор VT1 открыт и ток через дроссель L1 нарастает по линейному закону. Процесс длиться до момента, когда на датчике тока -низкоомном резисторе R1 падение напряжение достигнет величины 19 мВ. Этого напряжения достаточно для переключения компаратора (на второй вход которого подано небольшое образцовое напряжение с делителя). Выходное напряжение с компаратора поступает на генератор, в результате чего силовой ключ VT1 закрывается и энергия, накопленная в дросселе L1, поступает в светодиод VD1. Далее процесс повторяется. Таким образом, из первичного источника питания в светодиод поступает фиксированные порции энергии, которые он преобразует в световую.

Управление энергией происходит с помощью частотно-импульсной модуляции ЧИМ (PFM Pulse Frequency Modulation). Принцип ЧИМ заключается в том, что изменяется частота, а постоянным остаётся длительность импульса или паузы, соответственно, открытого (On-Time) и закрытого (Off-Time) состояния ключа. В нашем случаи неизменным остаётся время Off-Time, т.е. длительность импульса, при котором внешний транзистор VT1 находится в закрытом состоянии. Для контроллера ZXSC300 Toff составляет 1,7 мкс.

Это время достаточно для передачи накопленной энергии из дросселя в светодиод. Длительность импульса Ton, в течение которого открыт VT1, определяется величиной токоизмерительного резистора R1, входным напряжением, и разницей между входным и выходным напряжением, а энергия, которая накапливается в дросселе L1, будет зависеть от его величины. Оптимальным считается, когда полный период Т равен 5мкс (Toff +Ton). Соответственна рабочая частота F=1/5мкс =200 кГц.

При указанных на схеме Рис.2 номиналах элементов осциллограмма импульсов напряжения на светодиоде имеет вид

Рис.3 вид импульсов напряжения на светодиоде. (сетка 1В/дел, 1мкс/дел)

Немного подробнее об используемый деталях.

Транзистор VT1 -FMMT617, n-р-n транзистор с гарантированным напряжением насыщения коллектор-эмиттер не более 100 мВ при токе коллектора 1 А. Способен выдерживать импульсный ток коллектора до 12 А (постоянный 3 А), напряжение коллектор-эмиттер 18 В, коэффициент передачи тока 150…240. Динамические характеристики транзистора: время включения/ выключения 120/160 нс, f =120 МГц, выходная емкость 30 пф.

FMMT617 является лучшим коммутационным устройством, которое можно использовать совместно с ZXSC300. Он позволяет получить высокий КПД преобразования при входном напряжении меньше одного вольта.

Накопительный дроссель L1.

В качестве накопительного дросселя можно использовать как промышленные SMD Power Inductor, так и самодельные. Дроссель L1 должен выдерживать максимальный ток силового ключа VT1 без насыщения магнитопровода. Активное сопротивление обмотки дросселя не должно превышать 0,1 Ом иначе КПД преобразователя заметно снизиться. В качестве сердечника для самостоятельной намотки хорошо подходят кольцевые магнитопроводы (К10x4x5) от дросселей фильтров питания использующиеся в старых компьютерных материнских платах. На сегодняшний день б/у компьютерное «железо» можно приобрести по бросовым ценам на любом радиорынке. А «железо» — это неисчерпаемый источник разнообразный деталей для радиолюбителей. При самостоятельной намотки для контроля понадобится измеритель индуктивности.

Токоизмерительный резистор R1. Низкоомный резистор R1 47мОм получен параллельным соединением двух SMD резисторов типоразмера1206 по 0,1 Ом.

Светодиод VD1.

Светодиод VD1 белого свечения с номинальным рабочим током 150 мА. В авторской конструкции используется два четырехкристальных светодиода соединенные параллельно. Номинальный ток одного из них составляет 100 мА, другого 60 мА. Рабочий ток светодиода определен путем пропускания через него, стабилизированного постоянного тока и контроля температуры катодного (минусового) вывода, который является радиатором и отводит тепло от кристалла.

При номинальном рабочем токе температура теплоотводящего вывода не должна превышать 40 — 45 градусов. Вместо одного светодиода VD1 также можно использовать восемь параллельно соединенных стандартный 5 мм светодиодов с током 20 мА.

Внешний вид устройства

Рис. 4a.

 

Рис. 4b.

Печатная плата показана на Рис. 5

Рис. 5 (размер 14 на 17 мм).

При разработке плат для подобных устройств необходимо стремиться к минимальным значениям емкости и индуктивности проводника соединяющий К VT1 с накопительным дросселем и светодиодом, а также к минимальным индуктивности и активному сопротивлению входных и выходных цепей и общего провода. Сопротивление контактов и проводов через которые поступает напряжение питания должно быть тоже минимально.

На следующих схемах Рис. 6 и Рис. 7 показан способ питания мощных светодиодов типа Luxeon с номинальным рабочим током 350 мА

Рис. 6 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon

Рис. 7 Способ питания мощных светодиодов типа Luxeon — ZXSC300 запитана от выходного напряжения.

В отличие от рассмотренной ранее схемы здесь питание светодиода происходит не импульсным, а постоянным током. Это позволяет легко контролировать рабочий ток светодиода и КПД всего устройства. Особенность преобразователя на Рис. 7 заключается в том, что ZXSC300 запитана от выходного напряжения. Это позволяет ZXSC300 работать (после запуска) при снижении входного напряжения вплоть до 0,5 В. Диод VD1 — Шотки рассчитанный на ток 2А. Конденсаторы С1 и С3 — керамические SMD, С2 и С3 — танталовые SMD.

Печатные платы показаны на Рис. 8 Рис. 9 (размер 25 на 25 мм).

Рис. 8

 

Рис. 9

На Рис. 10 показана схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

Рис. 10 Схема питания 5-6 светодиодов включённых последовательно с рабочим током 20мА.

В таблице 1 приведены рекомендации по выбору элементов схемы.

Входное напряжение питание, В. Рабочий ток светодиодов, мА Количество светодиодов последовательно соединенных. Сопротивление токоизмерительного резистора, мОм. Индуктивность накопительного дросселя, мкГн.
1,5 20 1 270 68
1,5 30 1 180 68
1,5 50 1 100 68
1,5 20 2 150 100
1,5 30 2 100 100
1,5 50 2 39 100
3,5 20 3 220 68
3,5 20 4 150 68
3,5 20 6 77 68
3,5 30 6 47 68
5 20 4 270 68
5 30 6 100 68

На сегодняшний день стали доступны в использовании мощные 3 – 5 Вт светодиоды различных производителей (как именитых так и не очень).

И в этом случаи применение ZXSC300 позволяет легко решить задачу эффективного питание светодиодов с рабочим током 1 А и более.

В качестве силового ключа в данной схеме удобно использовать подходящий по мощности n-канальный (работающий от 3 В) Power MOSFET, можно также использовать сборку серии FETKY MOSFET (с диодом Шотки в одном корпусе SO-8).

С помощью ZXSC300 и нескольких светодиодов можно легко вдохнуть вторую жизнь в старый фонарь. Модернизации был подвергнут аккумуляторный фонарь ФАР-3.

Рис.11 внешний вид модернизированного фонаря ФАР-3.

Светодиоды использовались 4-х кристальные с номинальным током 100 мА — 6 шт. Соединены последовательно по 3. Для управления световым потоком применены два преобразователя на ZXSC300, имеющих независимое вкл/выкл. Каждый преобразователь работает на свою тройку светодиод.

Рис.12 внешний вид преобразователей и платы со светодиодами.

Платы преобразователей выполнены на двухстороннем стеклотекстолите, вторая сторона соединена с минусом питания.

Рис.13 — принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

Рис.14 — принципиальные схемы преобразователей для питания трех светодиодов с номинальным током 100 мА.

В фонаре ФАР-3 в качестве элементов питания используются три герметичных аккумулятора НКГК-11Д (KCSL 11). Номинальное напряжение этой батареи 3,6 В. Конечное напряжение разряженной батареи составляет 3 В (1 В на элемент). Дальнейший разряд нежелателен т. к. это приводит к сокращению срока службы батареи. А дальнейший разряд возможен — преобразователи на ZXSC300 работают, как мы помним, вплоть до 0,9 В.

Поэтому для контроля напряжения на батарее было спроектировано устройство, схема которого показана на Рис. 15.

Рис.15 — принципиальная схема устройства контроля напряжения на батареи 3 НКГК-11Д.

В данном устройстве используется недорогая доступная элементная база. DA1 — LM393 всем известный сдвоенный компаратор. Опорное напряжения 2,5 В получаем с помощью TL431 (аналог КР142ЕН19). Напряжение срабатывания компаратора DA1.1 около 3 В задаётся делителем R2 -R3 (для точного срабатывания возможно потребуется подбор этих элементов). Когда напряжение на батареи GB1 снижается до 3 В загорается красный светодиод HL1, если напряжение больше 3 В то HL1 гаснет и загорается зеленый светодиод HL2. Резистор R4 определяет гистерезис компаратора.

Печатная плата устройства контроля показана на Рис. 16 (размер 34 на 20 мм).

Если у вас возникли трудности с приобретением микросхемы ZXSC300, транзистора FMMT617 или низкоомных SMD резисторов 0,1 Ом, можно обращаться к автору на e-mail david_ukr (аt) list.ru

Вы можете приобрести следующие компоненты (доставка почтой)

Элементы Количество Цена, $ Цена, грн
1 Микросхема ZXSC 300 + транзистор FMMT 617 1 пара 1.5 $ 7 грн.
2 Резистор 0,1 Ом SMD типоразмер 0805 15 шт 1 $ 5 грн.
3 Печатная плата Рис. 8 3 шт. 1 $ 5 грн.

 

Как правильно подключить светодиод

Конструкция светодиода

Светодиод — это обычный диод, в кристалл которого добавлены вещества, излучающие свет при прохождении через них электрического тока. При подаче положительного напряжения на анод и отрицательного на катод происходит свечение. Наиболее частая причина выхода из строя – превышение номинала питающего напряжения.

Распиновка светодиода

Распиновка светодиодаНа принципиальных схемах распиновка наглядна. На катод мы всегда подаём «минус», поэтому и обозначается он прямой линией у вершины треугольника. Обычно катод – контакт, на котором располагается светоизлучающий кристалл. Он шире анода.

В сверхъярких LED полярность обычно маркируют на контактах либо корпусе. Если на ножках контактов маркировки нет, ножка с более широким основанием – катод.

Схема подключения светодиода

Принципиальная схема подключения светодиода

В классической схеме рекомендуют производить подключение через токоограничительный резистор. Действительно, правильно подобрав резисторное или индуктивное сопротивление, можно подключить диод, рассчитанный на напряжение питания 3В, даже к сети переменного тока.

Главное требование к параметрам питания – ограничение тока цепи.

Поскольку сила тока – параметр, отображающий плотность потока электронов по проводнику, при превышении этого параметра диод просто взорвется из-за мгновенного и значительного выделения тепла на полупроводниковом кристалле.

Как рассчитать ограничительный резистор

Расчет сопротивления резистораРасчет мощности резистора
 Принципиальная схема подключения светодиода Принципиальная схема подключения светодиода
  • R — сопротивление ограничительного резистора в омах;
  • Uпит — напряжение источника питания в вольтах;
  • Uпад — напряжение питания светодиода;
  • I — номинальный ток светодиода в амперах.

Если мощность резистора будет значительно меньше требуемой, он просто перегорит вследствие перегрева.

Включение светодиода через блок питания без резистора

У меня уже несколько лет работает модернизированная под LED настольная лампа. В качестве источника света используется шесть ярких светодиодов, а в качестве источника питания – старое зарядное устройство от мобильного телефона Nokia. Вот моя схема включения светодиода:

Схема питания моего светильника

Номинальное напряжение диодов – 3,5В, ток – 140мА, мощность — 1Вт.

При выборе внешнего источника питания необходимо ограничение по току. Подключение этих светодиодов к современным зарядным устройствам с напряжением питания 5В 1-2А потребует ограничивающий резистор.

Что бы адаптировать эту схему к зарядному устройству, рассчитанному на 5В, используйте резистор на 10-20Ом мощностью 0,3А.

Подключение через резистор

Если у вас другой источник питания, убедитесь, что в нем есть схема стабилизации тока.

Схема зарядного устройства от мобильного телефона

Блок питания большинства низковольтных бытовых приборов

Схема зарядного устройстваСхема питания домашних приборов

Как правильно подключать светодиоды

Параллельное подключение

Вообще параллельное соединение не рекомендуется. Даже у одинаковых диодов параметры номинального тока могут различаться на 10-20%. В такой цепи диод с меньшим номинальным током будет перегреваться, что сократит срок его службы.

Проще всего определить совместимость диодов при помощи низковольтного либо регулируемого источника питания. Ориентироваться можно по «напряжению розжига», когда кристалл начинает лишь чуть светиться. При разбросе «стартового» напряжения в 0,3-0,5 В параллельное соединение без токоограничивающего резистора недопустимо.

Последовательное подключение

Расчёт сопротивления для цепи из нескольких диодов: R = (Uпит — N * Uсд) / I * 0.75

Максимальное количество последовательных диодов: N = (Uпит * 0,75) / Uсд

При включении нескольких последовательных цепочек LED, для каждой цепи желательно рассчитать свой резистор.

Правильное и неправильное подключение

Как включить светодиод в сеть переменного тока

Если при подключении LED к источнику постоянного тока электроны движутся лишь в одну сторону и достаточно ограничить ток с помощью резистора, в сети переменного напряжения направление движения электронов постоянно меняется.

работа светодиода в сети переменного тока

При прохождении положительной полуволны, ток, пройдя через резистор, гасящий избыточную мощность, зажжёт источник света. Отрицательная полуволна будет идти через закрытый диод. У светодиодов обратное напряжение небольшое, около 20В, а амплитудное напряжение сети – около 320 В.

Подключение светодиода в сеть переменного токаКакое-то время полупроводник будет работать в таком режиме, но в любой момент возможен обратный пробой кристалла. Чтобы этого избежать перед источником света устанавливают обыкновенный выпрямительный диод, выдерживающий обратный ток до 1000 В. Он не будет пропускать обратную полуволну в электрическую цепь.

Схема подключения в сеть переменного тока на рисунке справа.

Другие виды LED

Мигающий

Мигающий светодиодОсобенность конструкции мигающего светодиода – каждый контакт является одновременно катодом и анодом. Внутри него находятся два светоизлучающих кристалла с разной полярностью. Если такой источник света подключить через понижающий трансформатор к сети переменного тока он будет мигать с частотой 25 раз в секунду.

Для другой частоты мигания используются специальные драйверы. Сейчас такие диоды уже не применяются.

Разноцветный

Разноцветный светодиод – два или больше диода, объединенных в один корпус. У таких моделей один общий анод и несколько катодов.

Конструкция разноцветного светодиода

Изменяя через специальный драйвер питания яркость каждой матрицы можно добиться любого света свечения.

При использовании таких элементов в самодельных схемах не стоит забывать, что у разноцветных кристаллов разное напряжение питания. Этот момент необходимо учитывать и при соединении большого количества разноцветных LED источников.

Характеристики цветных светодиодов

Другой вариант – диод со встроенным драйвером. Такие модели могут быль двухцветные с поочерёдным включением каждого цвета. Частота мигания задаётся встроенным драйвером.

Более продвинутый вариант – RGB диод, изменяющий цвет по заранее заложенной в чип программе. Тут варианты свечения ограниченны лишь фантазией производителя.

Понравилась статья? Расскажите о ней! Вы нам очень поможете:)

Анализ электронных источников питания и электромагнитных источников питания. Плюсы и минусы. Практика применения

История вопроса и терминология

Первые массово выпускаемые и доступные светодиоды в конце 60-х-начале-70-х годов XX века применялись в целях индикации, а не освещения [1]. В первую очередь из-за их малой световой отдачи, яркости и мощности, а во вторую — потому что они были цветными. Белые сверхъяркие светодиоды, которые сегодня зачастую подразумеваются под понятием «светодиод», среди них отсутствовали. Для питания таких цветных маломощных светодиодов применялись простейшие электронные схемы (см. рис. 1) в виде линейных стабилизаторов (ЛС).

Рисунок 1. Пример принципиальной схемы линейного стабилизатора постоянного тока

Характерной особенностью этих схем являлось отсутствие элементов, накапливающих энергию, таких как дроссели и конденсаторы. Вместо них применялись полупроводниковые элементы, такие как транзисторы, диоды, стабилитроны. В виду своей простоты и малых габаритов данные схемы не выделялись в отдельный источник питания и не имели собственного корпуса. Как правило, они располагались вместе со светодиодами на одной печатной плате.

Появление в 1994 году первого коммерческого яркого синего светодиода послужило толчком к созданию первых белых светодиодов в наиболее распространённом на сегодняшний день виде: с люминофором. Но, несмотря на то, что первые образцы белых светодиодов с люминофорным покрытием появились уже в 1996 году, их высокая стоимость и невысокая по сравнению с современными светодиодами эффективность не способствовали широкому применению в области освещения. Лишь во второй половине 2000-х годов сверхъяркие белые светодиоды начали активно применяться в освещении, постепенно набирая обороты. Мощность этих светодиодов значительно возросла по сравнению с применяемыми для индикации монохромными светодиодами, соответственно, возросли и потери мощности в источнике питания, применение линейных стабилизаторов стало невыгодно.

На сцену вышли электронные импульсные источники питания (ИИП), более дорогие, конструктивно и технологически более сложные, но обладающие гораздо лучшей эффективностью. Кроме того, ИИП позволяли обеспечить более высокую точность и стабильность тока через светодиоды, что было важно для первых коммерчески успешных белых светодиодов, предъявлявших высокие требования к качеству питания.

Отличительной особенностью класса импульсных источников питания является обязательное наличие накопительного реактивного элемента (см. рис. 2) (конденсатор, дроссель, трансформатор) и силовых полупроводниковых элементов (транзистор, диод).

Рисунок 2. Структурная схема импульсного источника питания светодиодов на основе понижающего преобразователя постоянного тока

В отличие от схем с линейными стабилизаторами, где полупроводниковые элементы работают непрерывно, в импульсных источниках питания формирование тока через светодиоды обеспечивается короткими импульсами. Во время этих импульсов полупроводниковые элементы включаются и выключаются, обеспечивая накопление поступающей из внешнего источника питания электрической энергии (будь то сеть переменного тока или источник постоянного напряжения) с помощью реактивных элементов, затем выводя эту энергию в нагрузку, на светодиоды. Импульсный принцип работы и дал название всему семейству источников питания.

Современные мощные белые светодиоды значительно дешевле тех, что были доступны на рынке 10 лет назад, а их эффективность значительно выше. При этом требования к качеству питания они предъявляют значительно более мягкие и многое «прощают». Всё это приводит к тому, что для ряда приложений может оказаться выгодным применение электромагнитных источников питания (ЭМИП). Электромагнитные источники питания, как и электронные импульсные, имеют реактивный элемент — дроссель (см. рис. 3), но, в отличие от них, используют его не для накопления энергии, а в качестве реактивного сопротивления для ограничения тока через светодиоды, т.е. дроссель здесь является балластом.

Рисунок 3. Структурная схема электромагнитного источника питания светодиодов

По эффективности ЭМИП превосходят на средних и больших мощностях линейные стабилизаторы, но уступают импульсным. Выгодным отличием электромагнитных источников питания от импульсных является надёжность (меньше элементов — меньше шансов выхода из строя), конструктивная простота, ремонтопригодность, меньшая стоимость.

Текущее положение дел

На данный момент линейные стабилизаторы довольно широко применяются в области освещения: для питания светодиодов в составе бегущих строк, декоративных светильников, ретрофитных ламп, светильников для транспортных средств, медицинских светильников, портативных фонариков и пр. Линейные стабилизаторы сегодня можно встретить даже в бытовых холодильниках. Однако общая доля линейных стабилизаторов среди всех источников питания для светодиодов крайне мала: 1-2 %. Оставшуюся часть занимают импульсные источники питания. И это неудивительно, т.к. они позволяют сделать компактный, эффективный, относительно недорогой драйвер для светодиодных светильников любой мощности. Электромагнитные источники для питания светодиодов начали рассматривать относительно недавно [2], и широкого распространения они пока не получили.

Если в процентном соотношении ситуация ясна, то в абсолютных величинах картина остаётся туманной. Чтобы оценить мировые масштабы обратимся к информации британской аналитической компании IHS (рис. 4).

Рисунок 4. Распределение по уровню мощности источников питания для светодиодов

Помимо общей тенденции к увеличению количества произведённых светодиодных источников питания в мире, мы видим, что согласно прогнозу продажи источников питания средней мощности (25-59 Вт), применяемых в основном для внутреннего освещения и ритейла, к 2020 году составят порядка 2 миллиардов штук в год — 53.7 % от общего количества. И приблизительно столько же будет продано источников питания малой мощности (менее 25 Вт) для ЖКХ и бытового потребления — 44.9 % от общего количества. При этом источники питания высокой мощности (60-150 Вт) составят около 80 миллионов шт. в год — менее 2 % от общего количества.

Характерные особенности электронных импульсных источников питания

Общей чертой всех импульсных источников питания для светодиодов является стабилизация выходного тока, т.е. при изменении напряжения в сети, ток светодиодов будет неизменным. Среди всего многообразия топологий схем импульсных источников питания наибольшее распространение получили две.

Однокаскадная

Импульсные источники питания, построенные по однокаскадной топологии, любимы многими производителями за простоту и невысокую стоимость. В основе данной топологии лежит совмещение функций коррекции коэффициента мощности и стабилизации тока в одном преобразователе (см. рис. 5). Если требуется гальваническая развязка, то в этой роли выступает обратноходовой преобразователь (flyback converter), если можно обойтись без развязки, то источник строится на основе повышающе-понижающего преобразователя (buck-boostconverter).

Рисунок 5. Структурная схема однокаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Простота и дешевизна достигнуты использованием всего одного реактивного моточного элемента — дросселя или трансформатора, в зависимости от требования гальванической развязки. Кроме того, используется один силовой полупроводниковый элемент для запасания энергии в трансформаторе, и ещё один для её вывода. Данная топология оказалась оптимальной по стоимости, габаритным размерам, эффективности, стабильности и точности поддержания выходных параметров для большинства светодиодных нагрузок мощностью от 10 до 100 Вт с номинальными токами от 150 до 2000 мА. При повышении мощности и/или увеличении выходного тока оптимальность однокаскадной топологии достаточно легко ставится под вопрос.

Особенности однокаскадной топологии

Пусковой ток в сети при подаче напряжения питания равен или незначительно превышает номинальный потребляемый ток. Например, если включить в сеть 230 В однокаскадный ИИП мощностью 60 Вт, амплитуда броска тока будет порядка 260 мА. Почему этот параметр важен? Потому что, если пусковой ток значительно превышает номинальный, может сработать защитный автомат на линии питания и обесточить всю линию.

Нормальным значением коэффициента мощности для однокаскадной топологии можно считать величину в пределах 0.95-0.97. Эта величина зависит от мощности светодиодной нагрузки и входного напряжения, и обычно меняется в диапазоне от 0.85 до 0.99. Ещё одной важной особенностью однокаскадной топологии является ограниченный диапазон рабочей выходной мощности. Проще говоря, вы не сможете запитать светодиодную нагрузку мощностью 10 Вт от источника питания мощностью 40 Вт. Он, скорее всего, даже не включится, хотя по току драйвер вам подходит. Большинство однокаскадных источников питания не работают при мощности нагрузки менее 50 % максимальной.

Также источники питания для светодиодов, выполненные по однокаскадной топологии, не могут диммироваться до нуля. Как правило, диммирование для них доступно в диапазоне от 10 % до 100 % номинального выходного тока.

Снижение пульсаций светового потока и, соответственно, освещённости может достигаться двумя путями. Первый — увеличение ёмкости выходных фильтрующих конденсаторов, что влечёт за собой рост габаритов источника и его стоимости. Второй — применение активного фильтра с использованием полупроводниковых элементов, что лишь незначительно увеличивает стоимость, но эффективность понижает на 1-2 %. Поэтому не стоит гнаться за сверхнизким значением пульсации светового потока без крайней на то необходимости, платить за это придётся снижением КПД.

Двухкаскадная

В основе двухкаскадной топологии лежат по сути два отдельных преобразователя, объединённых на одной печатной плате и помещённые в общий корпус.

Рисунок 6. Структурная схема двухкаскадного импульсного источника питания для светодиодов

Один преобразователь выполняет функцию корректора коэффициента мощности, другой — обеспечивает требуемый режим работы светодиодов. Количество реактивных и силовых полупроводниковых элементов в данной топологии как минимум в два раза больше по сравнению с однокаскадной, что обуславливает увеличение стоимости в сравнении с однокаскадной топологией. ИИП, выполненный по двухкаскадной топологии, способен показать высокую эффективность при высоких значениях выходных токов (2 А и выше) и/или при низком сетевом напряжении (110 В). Наибольшее распространение получили источники питания по двухкаскадной топологии на мощности от 100 до 250 Вт. В этом диапазоне мощностей их более высокая по отношению к однокаскадным ИИП стоимость компенсируется более высокой эффективностью и меньшими размерами.

Особенности двухкаскадной топологии

Пусковой ток при подаче питания на вход ИИП может превышать номинальный на несколько порядков. К примеру, при включении в сеть 230 В двухкаскадного ИИП мощностью 100 Вт амплитуда броска тока может составлять 20-50 А, в то время как номинальный ток потребления составит всего 0.43 А. Этот момент необходимо учитывать при выборе защитного автомата. Для борьбы с этим неприятным эффектом могут применяться специальные устройства, ограничивающие бросок пускового тока в линии. Либо можно применять более дорогие источники питания, в которых аналогичный ограничитель встроен.

Коэффициент мощности в двухкаскадной топологии очень высок, обычно 0.98-0.99, и зависит от напряжения сети и нагрузки в меньшей степени, чем в однокаскадной топологии.

Одним из неоспоримых преимуществ двухкаскадных ИИП является возможность обеспечения постоянного тока светодиодов в широком диапазоне выходной мощности. Т.е. речь уже о 10-100 % максимальной выходной мощности, а не о 50-100 %, как у однокаскадных.

Также двухкаскадные ИИП хорошо диммируются до нулевого значения выходного тока.

Наличие двух каскадов, каждый из которых работает на частотах в десятки и сотни килогерц позволяет источнику обеспечить сверхнизкие пульсации светового потока. Типовое значение пульсации светового потока светильника с двухкаскадным источником питания — 0.5 %.

Характерные особенности электромагнитных источников питания

Стоит упомянуть, что сама по себе идея использовать реактивное сопротивление для ограничения тока светодиодов не нова. Довольно давно и с определённым успехом применяются схемы питания с балластной ёмкостью, в которой в качестве токоограничивающего реактивного элемента применяется конденсатор (см. рис. 7).

Рисунок 7. Структурная схема источника питания с балластной ёмкостью

Однако мощность таких схем составляет 1-3 Вт. В этом диапазоне можно использовать ёмкости небольших габаритов, способные уместиться даже в цоколь ретрофитной светодиодной лампы. При дальнейшем увеличении мощности обойтись одним-двумя конденсаторами не получается, приходится использовать целую батарею конденсаторов, соединяя их параллельно. Габариты и цена при этом вырастают до неприличных размеров.

На больших мощностях 60-300 Вт гораздо эффективнее применять в качестве реактивного элемента дроссель. Найти готовый, подходящий по параметрам дроссель не всегда представляется возможным, придётся его рассчитывать и изготавливать. Но в ряде случаев могут подойти готовые дроссели, применяемые для питания газоразрядных ламп.

На мощностях 3-60 Вт использовать для питания светодиодов токоограничивающий дроссель можно, но ИИП будет дешевле и компактнее. Характерной особенностью схем с реактивным сопротивлением, будь то балластная ёмкость или электромагнитный балласт, является зависимость тока светодиодов от входного сетевого напряжения. Чем выше напряжение, тем больше будет ток (см. рис. 8).

Рисунок 8. Зависимость выходного тока от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Кроме того, ток светодиодов также будет зависеть и от величины напряжения на светодиодах, т.е. от того, в каком количестве и как они соединены. Существует оптимальное напряжение на светодиодах, при котором из сети передаётся максимальная мощность, а пульсации светового потока при этом минимальны [3].

Зависимость тока СД от входного напряжения на первый взгляд — существенный минус. При разработке светильника нужно быть уверенным, что светодиоды не перегреются и не выйдут из строя во всём диапазоне входного напряжения, возникает необходимость применения более дорогих и мощных светодиодов с запасом по максимально допустимому току.

С другой стороны такое поведение выходного тока — плюс, поскольку светодиодные светильники с электромагнитным источником питания с успехом могут быть применены в работающих с газоразрядными лампами системах управления освещением. Например, АСУНО «БРИЗ» компании «Светосервис ТМ» или АСУНО «Кулон» компании «Сандракс».

Кроме того, возможно создание локальной супербюджетной системы управления освещением. Например, вам необходимо осветить небольшую автостанцию с 8-ю светодиодными светильниками 100 Вт, и при этом вы хотите снижать освещённость в ночные часы, но не хотите платить за систему управления освещением, которая стоит дороже, чем все ваши светильники вместе взятые. Для реализации этой задачи всё, что вам понадобится — подсоединить светильники к сети питания через лабораторный автотрансформатор мощностью 1-1.5 кВА. Стоимость решения меньше стоимости одного светильника. Конечно, регулирование придётся осуществлять руками, и это не всегда приемлемо. Но можно не сомневаться, что найдётся немало потребителей, для которых стоимость решения перевесит подобные недостатки.

Коэффициент мощности в ЭМИП также зависит от входного напряжения (см. рис. 9). При номинальном напряжении питания 230 В коэффициент мощности величиной 0.97-0.99 достигается тем же образом, что и в электромагнитных балластах для газоразрядных ламп: подключением конденсатора, компенсирующего сдвиг фазы между сетевым напряжением и потребляемым током. Величина ёмкости этого конденсатора будет зависеть от индуктивности дросселя и мощности светильника.

Рисунок 9. Зависимость коэффициента мощности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

От входного напряжения будет также зависеть и эффективность ЭМИП (см. рис. 10). Чем ниже входное напряжение, тем выше КПД источника питания. При этом учтем, что снижение тока через светодиоды приводит к возрастанию их световой отдачи. В результате снижение потребляемой мощности приводит к увеличению эффективности всего светильника, и световой поток снижается меньше. На примере образца светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50с ЭМИП можно отметить (см. рис. 11), что изменение напряжения питания с 220 В до 170 В приводит к снижению потребляемой мощности почти в два раза (на 45 %), а световой поток снижается только на треть (на 34 %).

Рисунок 10. Зависимость эффективности от входного напряжения в образце светильника GALAD ДКУ-02 120 Вт с электромагнитным источником питания

Рисунок 11. Относительное изменение характеристик в образце светильника GALAD Омега LED-120-ШБ/У50 с электромагнитным источником питания

Светодиодный светильник с ЭМИП при правильном расчёте способен выдержать кратковременные скачки сетевого напряжения до 300-380 В. При этом, конечно, ток через светодиоды будет превышать номинальный в 1.5-2 раза, но современные мощные светодиоды способны переносить такие скачки без последствий. Если высокое напряжение появилось на входе источника питания надолго, например, при обрыве нулевого проводника в линии питания, то светильник будет работать на повышенной мощности. Сколь долго? Необходимо испытывать в каждом конкретном случае. Но стоит учитывать, что при обрыве нулевого проводника должна сработать защитная автоматика на линии. Но если есть основания полагать, что она не сработает, то светильнику понадобится дополнительная защита от повышенного входного напряжения.

ЭМИП для светодиодов способен работать без фильтрующих электролитических конденсаторов по выходу. Пульсации светового потока при этом будут близки к 100 %, но зато можно таким образом добиться стабильной надёжной работы при экстремальных температурах от -70 до +95 °С.

При необходимости простым способом снизить пульсации светового потока, можно всё же применить электролитические конденсаторы. Их наличие в источнике питания не является принципиальной помехой для использования его при низких температурах. При включении светильника на температуре -60 °С ток заряда конденсаторов будет ограничен реактивным сопротивлением дросселя и не окажет разрушающего воздействия на замёрзшие конденсаторы.

Высокая надёжность ЭМИП обусловлена малым количеством элементов (меньше шансов сломаться), их высокой помехозащищённостью и стойкостью к внешним воздействиям (сложно вывести из строя дроссель).

Основная сложность, связанная с использованием ЭМИП для питания светодиодов, заключается в том, что источник питания не может восприниматься как чёрный ящик с заранее известными характеристиками. Для каждой конкретной светодиодной нагрузки требуются испытания, требуется тщательное исследование тепловых режимов светодиодов и источника в составе светильника во всём диапазоне сетевого напряжения, требуется подбор индуктивного сопротивления. Всё это занимает как минимум несколько итераций, чаще всего в продаже требуемого дросселя не оказывается, а при отсутствии собственного моточного производства, его заказ на стороне ещё больше затянет сроки вывода светильника на рынок.

Выводы

Подводя итог, можно сказать, что нет повода говорить о конце эпохи электронных импульсных источников питания в освещении. Наоборот, с каждым годом в мире их выпускается всё больше. Там, где требуется высокая эффективность, компактность, низкий уровень пульсаций светового потока, высокая точность и стабильность, электронные импульсные источники питания вне конкуренции. Там, где во главу угла ставится низкая стоимость, надёжность и возможность работы при низких температурах, перспективно выглядят электромагнитные источники питания.

Е.С. Ошуркова, технический консультант ООО «БЛ Трейд»

Список литературы: 1. Георгобиани С.А., Горев Л.В., Клыков М.Е., Коваленко Е.А. Электромагнитные ПРА для светодиодов. Светотехника, № 4, 2013. 2. Клыков М.Е. Устройства питания светодиодов при включении в сеть переменного тока. Светотехника, № 6, 2010. 3. Шуберт Ф.Е. Светодиоды. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2008.

светодиодный источник тока (электронная схема)

Выходные контакты интерфейса с логикой TTL (такой как наш программируемый MP3-плеер) может управлять один светодиод в лучшем случае. Если вы должны управлять несколькими светодиодами с одним выходом, Есть несколько вариантов:

  • Управляйте реле от логики TTL и включайте / выключайте светодиоды отдельным источник питания. Это может быть удобно, если светодиоды уже имеют ограничение тока резистор. Обратите внимание, что не все реле совместимы с уровнями TTL.Мы использовали и реле DIL и твердотельные реле успешно.
  • Вместо реле используйте силовой транзистор. Это не имеет перенапряжения защита реле, но оно дешевле и переключается быстрее. Смотреть статью Выходная мощность для H0420 для примера схемы. Опять же эта схема удобна, если светодиоды уже есть токоограничивающий резистор.
  • Для разветвления двух или более простых светодиодов, то есть светодиодов не имеют ограничитель тока резистор, к выходу ТТЛ удобнее использовать «постоянный ток источник «схема.Эта схема находится в центре внимания этой статьи.

Использование источника тока — лучший способ управлять несколькими светодиодами, потому что Яркость светодиода зависит от тока, который проходит через него. Даже внутри серия светодиодов (с одинаковым номером продукта и от одного производителя), вариация прямого напряжения светодиодов довольно велика. При использовании резистор для ограничения тока светодиода, ток, который течет через светодиод немедленно связан с прямым напряжением. Изменение прямых напряжений из светодиодов, следовательно, приводит к различиям в яркости.

Источник тока невосприимчив к вышеуказанной проблеме, так как он регулирует ток, и не напряжение, которое течет через светодиоды.

Схема

Схема ниже использует отдельный источник питания для управления светодиодами. Мы обычно используйте источник питания 24 В, но любой блок питания будет работать. Единственные факторы считают, что вы не должны превышать максимальную мощность рассеивания транзистор.

Для схемы, давайте сначала рассмотрим, что ничего не прикреплено к P1 .Затем база транзистора и анод из светодиодов ( D1 ) подтягиваются резистором R2 . Из-за зеленого светодиода напряжение на базе транзистора будет таким же, как прямое напряжение светодиод, который составляет 2,1 В для стандартного зеленого светодиода. Если база транзистора составляет 2,1 В, то его излучатель будет на 0,6 В ниже или 1,5 В. Это означает, что Ток через резистор R3 составляет 15 мА (1,5 В, деленное на 100 Ом). Этот же ток также проходит к ряду светодиодов, подключенных между двумя штифты P3 .

Если на вывод P1 подается низкий уровень, транзистор блокируется и ток отсутствует будет течь через светодиоды. Эта возможность позволяет вам переключать последовательность Светодиоды включаются и выключаются с внешнего устройства с использованием логики TTL или выходов с открытым коллектором. Вы можете затемнить светодиоды одним и тем же способом: выключите и включите контакты очень Быстрая последовательность, варьирующая ширину «вкл» -импульса. Для достижения наилучших результатов это Схема широтно-импульсной модуляции (ШИМ) должна происходить на частоте между 50 Гц и 100 Гц.

Если вы планируете не управлять источником тока от внешнего устройства, вы можете резистор R1 и разъемы P1 и P2 опущены. Даже если вы используете или для подачи тока от другого устройства, вы можете по-прежнему опускается R1 при условии, что выходной контакт внешнего устройства является открытым коллектором или имеет внутренний резистор .

Резистор R2 может быть опущен, если источник тока питается от внешнее устройство (на P1 ) и этот вывод , а не открытый коллектор.В частности, для нашего программируемого MP3-плеера, и R1 и R2 могут быть опущены.

Конечные ноты

Максимальное количество светодиодов, которые может использовать один источник тока при напряжении 24 В, зависит на цвет светодиодов. Каждый цвет светодиода изготавливается из разного полупроводника. материал с другим прямым напряжением. Прямые напряжения в таблице ниже приведены приблизительные значения, потому что типичное прямое напряжение для светодиода зависит от производителя и даже в пределах серии светодиодов, допуск прямое напряжение довольно высокое.

Цвет светодиода Типовое прямое напряжение Макс. Светодиоды на источник тока
Красный 1,8 В 10
Супер красный 2,2 В 9
Оранжевый 2,1 В 9
Желтый 2,1 В 9
Зеленый 2.1 В 9
Голубой (аква-зеленый) 3,5 В 6
Синий 3,6 В 6
Белый 3,5 В 6

Эта схема может при напряжении 24 В возбуждать до 6 белых светодиодов и до 10 красных светодиодов. Если вам нужно подключить больше светодиодов, вы можете поместить несколько источников тока в каскад. к для этого подключите контакт P2 одного источника тока к P1 следующего источника тока.

Подобные источники тока доступны преднастроенным из Конрада (номер продукта 185027-I5).

,
Общественные цепи с меткой «источник постоянного тока» — CircuitLab

Сейчас показаны схемы 1-20 из 23. Сортировать по недавно измененный название

Светодиодный регулятор постоянного тока ОБЩЕСТВЕННОЕ

Хеванс | обновлено 07 июля 2020 г.

постоянный ток источник светодиод

Улучшенный текущий насос Хауленда ОБЩЕСТВЕННОЕ

Улучшенный токовый насос Howland, который обеспечивает ток от -10 до +10 мА на входе от 0 до 2 В.Также требуются источники питания 25 В и +/- 15 В.

от n0npr0phet | обновлено 25 февраля 2020 г.

постоянный ток источник ток Разница усилителя Хоулэнд испытательное оборудование

Источник тока Уилсона ОБЩЕСТВЕННОЕ

Widlar источник постоянного тока

от mk5734 | обновлено 17 апреля 2019

BJT постоянный ток источник Вильсон

Высокоточное токовое зеркало ОБЩЕСТВЕННОЕ

от mk5734 | обновлено 29 июля 2018 г.

BJT постоянный ток источник Ток-зеркало

Светодиодное освещение низкого уровня ОБЩЕСТВЕННОЕ

Светодиодное освещение двора.Используется для освещения заднего двора достаточным количеством света, чтобы безопасно перемещаться по дорожкам ночью.

RBClarke | обновлено 11 марта 2016 г.

постоянный ток источник светодиод

Дифференциальная пара ОБЩЕСТВЕННОЕ

BJT дифференциальный усилитель с источником тока для поляризации

от juanbn1503 | обновлено 28 октября 2015 г.

усилитель звука Ь постоянный ток источник дифференциал

Fuente de Corriente ОБЩЕСТВЕННОЕ

La fuente esta desñada bajo la configuración propuesta por Widlar, con resistencia en el emisor de Q2, la corriente de salida es de 5.62 мА

от jorelmaro | обновлено 15 сентября 2013 г.

постоянный ток источник Ток-зеркало

Усилитель общего источника JFET ОБЩЕСТВЕННОЕ

Схема усилителя общего источника JFET.NPN BJT транзистор используется для обеспечения постоянного тока смещения для JFET. Конденсатор С1 используется для обеспечения пути к сигналам переменного тока, эффективно обеспечивая стабильный …

Ахмуд | обновлено 28 июня 2013 г.

общий источник усилитель постоянный ток источник JFET

Линейная многоступенчатая светодиодная мойка с постоянным током ОБЩЕСТВЕННОЕ

DC Sweep не моделируется должным образом в CL для всех значений R7.Моделирование во временной области показывает ошибочный всплеск тока при запуске. Увидеть ниже.

по знаку | обновлено 15 апреля 2013 г.

постоянный ток раковина постоянный ток источник светодиод LED-массив привело строка

Линейная многоступенчатая светодиодная мойка 03 ОБЩЕСТВЕННОЕ

Это несколько упрощенная версия: светодиодный многострочный линейный постоянный токовый поглотитель 01 отлично имитирует в DC Sweep и Time Domain.

по знаку | обновлено 15 апреля 2013 г.

постоянный ток раковина постоянный ток источник светодиод LED-массив привело строка

Линейная многоступенчатая светодиодная мойка 02 ОБЩЕСТВЕННОЕ

Попытка заставить сим во временной области: светодиодный многострочный линейный постоянный токовый приемник 01 работать правильно.Это не так. Моделирование во временной области все еще показывает ошибочные пики тока при запуске.

по знаку | обновлено 15 апреля 2013 г.

постоянный ток раковина постоянный ток источник ток-раковина светодиод LED-массив привело строка

2 транзисторных постоянных тока 01 ОБЩЕСТВЕННОЕ

Ток коллектора Q2 поддерживается примерно постоянным в широком диапазоне V1.Используйте PNP для текущего источника. F5 для симуляции.

по знаку | обновлено 15 апреля 2013 г.

постоянный ток раковина постоянный ток источник

Напряжение тока, контролируемое током ОБЩЕСТВЕННОЕ

Операционный усилитель и транзистор используются для преобразования напряжения в ток.Соотношение между напряжением и током можно адаптировать по следующей формуле: I = Vc / R1. Установите R1 в значение, которое даст желаемое …

по ReverseEMF | обновлено 06 апреля 2013 г.

постоянный ток источник currentsink операционные усилители транзистор вольт-к-ток-simk

LaserDriverLM317 ОБЩЕСТВЕННОЕ

Это довольно стандартная схема драйвера постоянного тока с примененной защитой стабилитрона.Лучше всего заменить R1 на ограничитель пускового тока (термистор)

от TopTurtle57 | обновлено 28 марта 2013 г.

200mW-808nm-лазер-драйвер постоянный ток источник лазерно-водитель

светодиодный драйвер источника постоянного тока 01 ОБЩЕСТВЕННОЕ

Прецизионный источник тока.Имитация> Временная область> Выполнить моделирование во временной области

по знаку | обновлено 24 февраля 2013 г.

постоянный ток источник Источник тока операционные усилители-источника тока прецизионный источник тока

ConstantCurrentSource ОБЩЕСТВЕННОЕ

от InnerAlien | обновлено 31 января 2013 г.

постоянный ток источник светодиод

Постоянный ток 2 ОБЩЕСТВЕННОЕ

по желанию | обновлено 11 декабря 2012 г.

постоянный ток источник

Тест: источник тока LM317 ОБЩЕСТВЕННОЕ

LM317 используется в качестве стабилизатора тока в тестовой среде для поиска настроек и пределов.

от Sancho_P | обновлено 02 декабря 2012 г.

поведенческий-источник постоянный ток источник

.

светодиодов (LED) — learn.sparkfun.com

Избранные любимец 52

Введение

светодиодов вокруг нас: В наших телефонах, наших автомобилях и даже наших домах. Каждый раз, когда горит что-то электронное, есть большая вероятность, что за ним стоит светодиод. Они бывают самых разных размеров, форм и цветов, но независимо от того, как они выглядят, у них есть одна общая черта: они бекон электроники.Они широко предназначены для того, чтобы сделать любой проект лучше, и их часто добавляют в невероятные вещи (к радости всех).

Однако, в отличие от бекона, они не годятся, как только вы их приготовили. Это руководство поможет вам избежать любых случайных светодиодных барбекю! Хотя обо всем по порядку. Что именно — это , о котором все говорят?

Светодиоды

(то есть «ell-ee-dees») — это особый тип диодов, которые преобразуют электрическую энергию в свет. На самом деле светодиод означает «светоизлучающий диод».«(Он делает то, что говорит на банке!) И это отражается в сходстве между диодными и светодиодными схематическими обозначениями:

Короче говоря, светодиоды похожи на крошечные лампочки. Тем не менее, для сравнения светодиоды требуют гораздо меньше энергии. Они также более энергоэффективны, поэтому они не имеют тенденцию нагреваться, как обычные лампочки (если вы действительно не накачиваете в них энергию). Это делает их идеальными для мобильных устройств и других приложений с низким энергопотреблением. Не считайте их из мощной игры.Светодиоды высокой интенсивности нашли свое применение в акцентном освещении, прожекторах и даже автомобильных фарах!

Тебе уже хочется? Желание поставить светодиоды на все? Хорошо, оставайтесь с нами, и мы покажем вам как!

Рекомендуемое чтение

Вот некоторые другие темы, которые будут обсуждаться в этом руководстве. Если вы не знакомы ни с одним из них, пожалуйста, ознакомьтесь с соответствующим руководством, прежде чем идти дальше.

Что такое цепь?

Каждый электрический проект начинается с цепи.Не знаете, что такое схема? Мы здесь, чтобы помочь.

Что такое электричество?

Мы можем видеть электричество в действии на наших компьютерах, освещая наши дома, как молнии в грозах, но что это? Это не простой вопрос, но этот урок проливает свет на него!

Диоды

Диодный праймер! Диодные свойства, типы диодов и применение диодов.

Электроэнергия

Обзор электроэнергии, скорость передачи энергии. Мы поговорим об определении мощности, ваттах, уравнениях и номинальных мощностях. 1,21 гигаватт учебного веселья!

Полярность

Введение в полярность в электронных компонентах. Узнайте, что такое полярность, в каких частях она есть и как ее определить.

Предложенный просмотр

Как использовать их

Итак, вы пришли к разумному выводу, что вам нужно поставить светодиоды на все.Мы думали, что ты придешь.

Давайте пройдемся по книге правил:

1) Вопросы полярности

В электронике полярность указывает, является ли компонент схемы симметричным или нет. Светодиоды, будучи диодами, позволяют току течь только в одном направлении. А когда нет тока, нет света. К счастью, это также означает, что вы не можете сломать светодиод, подключив его в обратном направлении. Скорее это просто не будет работать.

Положительная сторона светодиода называется «анодом» и отмечена наличием более длинного «провода» или ножки.Другая отрицательная сторона светодиода называется катодом . Ток течет от анода к катоду, а не в противоположном направлении. Обратный светодиод может препятствовать нормальной работе всей цепи, блокируя ток. Так что не волнуйтесь, если добавление светодиода нарушит вашу цепь. Попробуйте перевернуть это.

2) Текущий ток равняется Моарному свету

Яркость светодиода напрямую зависит от того, какой ток он потребляет. Это означает две вещи. Во-первых, суперяркие светодиоды разряжают батареи быстрее, потому что дополнительная яркость зависит от используемой дополнительной мощности.Во-вторых, вы можете контролировать яркость светодиода, управляя величиной тока через него. Но установка настроения не единственная причина, чтобы сократить ваш ток.

3) Есть такая вещь, как слишком большая сила

Если вы подключите светодиод непосредственно к источнику тока, он попытается рассеять столько энергии, сколько ему позволено, и, подобно трагическим героям Олде, уничтожит сам себя. Вот почему важно ограничить количество тока, протекающего через светодиод.

Для этого мы используем резисторы. Резисторы ограничивают поток электронов в цепи и защищают светодиод от попыток получить слишком большой ток. Не волнуйтесь, для определения наилучшего значения резистора требуется лишь небольшая математика. Вы можете узнать все об этом в примерах применения нашего учебника по резисторам!

Резисторы

1 апреля 2013 г.

Учебник по всем вещам резисторов. Что такое резистор, как они ведут себя параллельно / последовательно, декодируют коды цветов резистора и применяют резистор.

Не позволяй всей этой математике напугать тебя, на самом деле довольно сложно все испортить. В следующем разделе мы поговорим о том, как сделать светодиодную схему без вашего калькулятора.

Светодиоды без математики

Прежде чем мы поговорим о том, как читать таблицы, давайте подключим некоторые светодиоды. В конце концов, это учебник по светодиодам, а не учебник по чтению .

Это также не учебник по математике, поэтому мы дадим вам несколько практических правил по установке и эксплуатации светодиодов.Как вы, вероятно, собрали из информации в предыдущем разделе, вам понадобится батарея, резистор и светодиод. В качестве источника питания мы используем аккумулятор, потому что их легко найти и они не могут подавать опасное количество тока.

Базовый шаблон для светодиодной схемы довольно прост, просто подключите батарею, резистор и светодиод последовательно. Как это:


330 Ом Резистор

Хорошее значение резистора для большинства светодиодов — 330 Ом (оранжевый — оранжевый — коричневый).Вы можете использовать информацию из последнего раздела, чтобы помочь вам определить точное значение, которое вам нужно, но это светодиоды без математики … Итак, начните с подключения резистора 330 Ом в вышеуказанную цепь и посмотрите, что произойдет.

проб и ошибок

Интересная особенность резисторов заключается в том, что они рассеивают дополнительную мощность в виде тепла, поэтому, если у вас есть резистор, который нагревается, вам, вероятно, нужно использовать меньшее сопротивление. Однако, если ваш резистор слишком мал, вы рискуете перегореть светодиод! Учитывая, что у вас есть несколько светодиодов и резисторов, с которыми можно поиграть, приведем схему, которая поможет вам спроектировать схему светодиодов методом проб и ошибок:


Throwies с батарейкой типа «монета»

Еще один способ зажечь светодиод — просто подключить его к батарейке типа «таблетка»! Поскольку ячейка монеты не может подавать достаточный ток, чтобы повредить светодиод, вы можете соединить их напрямую вместе! Просто вставьте монетоприемник CR2032 между выводами светодиода.Длинная нога светодиода должна касаться стороны батареи, отмеченной знаком «+». Теперь вы можете обернуть ленту вокруг всего этого, добавить магнит и приклеить его! Уя за подлых!

Конечно, если вы не добились хороших результатов с помощью метода проб и ошибок, вы всегда можете достать свой калькулятор и вычислить его. Не волнуйтесь, не сложно рассчитать лучшее значение резистора для вашей схемы. Но прежде чем вы сможете определить оптимальное значение резистора, вам нужно найти оптимальный ток для вашего светодиода.Для этого нам необходимо сообщить в таблицу …

Получить подробную информацию

Не подключайте к своим цепям какие-либо странные светодиоды, это просто вредно для здоровья. Узнай их первым. И как лучше, чем читать таблицы.

В качестве примера мы рассмотрим таблицу для нашего основного красного 5-мм светодиода.

Светодиодный ток

Начиная сверху и спускаясь, первое, с чем мы сталкиваемся, это очаровательный стол:

Ах, да, но что все это значит?

Первая строка в таблице указывает, какой ток ваш светодиод сможет выдерживать непрерывно.В этом случае вы можете дать ему 20 мА или меньше, и он будет светить ярче всего при 20 мА. Второй ряд говорит нам, каким должен быть максимальный пиковый ток для коротких импульсов. Этот светодиод может выдерживать короткие удары до 30 мА, но вы не хотите выдерживать этот ток слишком долго. Эта таблица данных даже достаточно полезна, чтобы предложить стабильный диапазон тока (в третьем ряду сверху) 16-18 мА. Это хорошее целевое число, чтобы помочь вам сделать расчеты резисторов, о которых мы говорили.

Следующие несколько строк имеют меньшее значение для целей этого урока.Обратное напряжение — это свойство диода, о котором вам не нужно беспокоиться в большинстве случаев. Рассеиваемая мощность — это количество энергии в милливаттах, которое светодиод может использовать до получения повреждения. Это должно работать само собой, пока вы держите светодиод в пределах его рекомендуемых значений напряжения и тока.

Светодиодное напряжение

Посмотрим, какие еще столы они здесь поставили … Ах!

Это полезный столик! В первом ряду сообщается, каким будет падение напряжения на светодиодах .Прямое напряжение — это термин, который очень часто встречается при работе со светодиодами. Этот номер поможет вам решить, какое напряжение необходимо подать в схему на светодиод. Если к одному источнику питания подключено более одного светодиода, эти цифры действительно важны, потому что прямое напряжение всех светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение питания. Мы поговорим об этом более подробно позже в углубленном разделе этого урока.

LED Длина волны

Во второй строке этой таблицы указывается длина волны света.Длина волны в основном очень точный способ объяснить, какого цвета свет. Это число может варьироваться, поэтому таблица дает нам минимум и максимум. В этом случае это от 620 до 625 нм, что находится на нижнем красном конце спектра (от 620 до 750 нм). Опять же, мы более подробно рассмотрим длину волны в более глубоком разделе.

Яркость светодиодов

Последний ряд (помеченный «Интенсивность света») — это показатель яркости светодиода. Единица измерения mcd, или millicandela , является стандартной единицей измерения интенсивности источника света.Этот светодиод имеет максимальную интенсивность 200 мкд, что означает, что он достаточно яркий, чтобы привлечь ваше внимание, но не совсем яркий фонарик. В 200 мкд, этот светодиод будет хорошим индикатором.

Угол обзора

Далее у нас есть этот веерообразный график, который представляет угол обзора светодиода. Различные типы светодиодов будут включать линзы и отражатели, чтобы либо сконцентрировать большую часть света в одном месте, либо распространить его как можно шире. Некоторые светодиоды похожи на прожекторы, которые излучают фотоны во всех направлениях; Другие настолько направленны, что вы не можете сказать, что они включены, если вы не смотрите прямо на них.Чтобы прочитать график, представьте, что светодиод стоит прямо под ним. «Спицы» на графике представляют угол обзора. Круглые линии представляют интенсивность в процентах от максимальной интенсивности. Этот светодиод имеет довольно узкий угол обзора. Вы можете видеть, что если смотреть на светодиод прямо вниз, это когда он самый яркий, потому что при 0 градусах синие линии пересекаются с самой внешней окружностью. Чтобы получить угол обзора 50%, угол, при котором свет становится вдвое менее интенсивным, следуйте по кругу 50% вокруг графика, пока он не пересекает синюю линию, затем следуйте по ближайшему выступу, чтобы прочитать угол.Для этого светодиода угол обзора 50% составляет около 20 градусов.

Размеры

Наконец, механический чертеж. Это изображение содержит все измерения, которые вам понадобятся, чтобы фактически установить светодиод в корпус! Обратите внимание, что, как и большинство светодиодов, у этого есть небольшой фланец внизу. Это очень удобно, когда вы хотите установить его на панели. Просто просверлите отверстие идеального размера для корпуса светодиода, и фланец предотвратит его падение!

Теперь, когда вы знаете, как расшифровать таблицу, давайте посмотрим, с какими необычными светодиодами вы можете столкнуться в дикой природе…

Типы светодиодов

Поздравляем, вы знаете основы! Может быть, вы даже взяли в руки несколько светодиодов и начали зажигать, это круто! Как бы вы хотели улучшить свою игру? Давайте поговорим о том, как это может выглядеть за пределами вашего стандартного светодиода.

Крупный план суперяркого 5-миллиметрового светодиода крупным планом

Типы светодиодов

Вот актерский состав других персонажей.

RGB светодиодов

RGB (красно-зелено-синие) светодиоды — это фактически три светодиода в одном! Но это не значит, что он может сделать только три цвета.Поскольку красный, зеленый и синий цвета являются дополнительными основными цветами, вы можете контролировать интенсивность каждого из них, чтобы создать каждый цвет радуги. Большинство светодиодов RGB имеют четыре контакта: по одному для каждого цвета и общий вывод. У одних общий контакт — это анод, а у других — катод.

RGB с общим прозрачным катодным светодиодом

светодиодов с интегральными схемами

Велоспорт

Некоторые светодиоды умнее других. Возьмите, например, светодиодный индикатор. Внутри этих светодиодов фактически имеется интегральная схема, которая позволяет светодиоду мигать без какого-либо внешнего контроллера.Вот крупным планом IC (большой, черный квадратный чип на кончике наковальни), управляющий цветами.

5-миллиметровый светодиод с медленным циклом крупным планом

Просто включите его и смотрите! Они отлично подходят для проектов, в которых требуется немного больше действий, но нет места для схем управления. Есть даже мигающие светодиоды RGB, которые переключаются между тысячами цветов!

Адресуемые светодиоды

Другие типы светодиодов могут управляться индивидуально.Существуют разные наборы микросхем (WS2812, APA102, UCS1903 и многие другие), используемые для управления отдельным светодиодом, соединенным в цепочку. Ниже приведен крупный план WS2812. Большая квадратная IC справа контролирует цвета индивидуально.

Адресная WS2812 PTH Close Up

Встроенный резистор

Что это за магия? Светодиод со встроенным резистором? Это правильно. Есть также светодиоды, которые включают в себя небольшой резистор ограничения тока. Если вы внимательно посмотрите на изображение ниже, на стойке имеется небольшая черная квадратная ИС для ограничения тока на светодиодах этих типов.

Светодиод со встроенным резистором Close Up

Итак, подключите светодиод со встроенным резистором к источнику питания и включите его! Мы протестировали эти типы светодиодов на 3,3 В, 5 В и 9 В.

Супер яркий зеленый светодиод со встроенным резистором

Примечание: Таблица данных для светодиодов со встроенным резистором указывает, что рекомендуемое прямое напряжение составляет около 5 В. При тестировании одного на 5 В, напряжение около 18 мА.Стресс-тест с батареей 9 В, напряжение около 30 мА. Это, вероятно, на более высоком конце входного напряжения. Использование более высокого напряжения может сократить срок службы светодиода. При напряжении около 16 В светодиод погас.

Пакеты для поверхностного монтажа (SMD)

SMD-светодиоды — это не столько специфический тип светодиода, сколько тип корпуса. По мере того как электроника становится все меньше и меньше, производители придумали, как разместить больше компонентов в меньшем пространстве. Компоненты SMD (устройства поверхностного монтажа) представляют собой крошечные версии своих стандартных аналогов.Вот крупный план адресуемого светодиода WS2812B, упакованного в небольшой пакет 5050.

Адресная WS2812B Close Up

SMD светодиодов бывают нескольких размеров, от довольно больших до меньших размеров, чем рисовое зерно! Поскольку они такие маленькие и с подушками вместо ног, с ними не так легко работать, но если вы ограничены в пространстве, они могут быть именно тем, что доктор прописал.

WS2812B-5050 Пакет APA102-2020 Пакет
SMD-светодиоды

также упрощают и ускоряют процесс выбора и размещения машин. позволяет размещать светодиодов на печатных платах и ​​полосах.Вы, вероятно, не будете вручную паять все эти компоненты вручную.

Крупный план 8×32 адресуемой (WS2812-5050) светодиодной матрицы 5M адресуемая (APA102-5050) светодиодная лента

Высокая мощность

Мощные светодиоды

от таких производителей, как Luxeon и CREE, безумно яркие. Они ярче суперярких! Как правило, светодиод считается мощным, если он может рассеивать 1 Вт или более мощности.Это причудливые светодиоды, которые вы найдете в действительно хороших фонариках. Их можно даже построить для прожекторов и автомобильных фар. Поскольку через светодиод проходит так много энергии, для этого часто требуются радиаторы. Радиатор — это, по сути, кусок теплопроводящего металла с большой площадью поверхности, работа которого заключается в передаче как можно большего количества отработанного тепла в окружающий воздух. Может быть некоторое тепловыделение, встроенное в конструкцию некоторых коммутационных щитов, таких как показанная ниже.

Мощный светодиод RGB Алюминий Назад для рассеивания тепла
Мощные светодиоды

могут выделять столько тепла, что могут повредить себя без надлежащего охлаждения. Не позволяйте термину «отработанное тепло» обмануть вас, хотя эти устройства по-прежнему невероятно эффективны по сравнению с обычными лампами. Для управления вы можете использовать светодиодный драйвер постоянного тока.

Специальные светодиоды

Есть даже светодиоды, которые излучают свет за пределами нормального видимого спектра. Например, вы, наверное, используете инфракрасные светодиоды каждый день. Они используются в таких вещах, как телевизионные пульты, для отправки небольших фрагментов информации в виде невидимого света! Они могут выглядеть как стандартные светодиоды, поэтому их будет трудно отличить от обычных светодиодов.

IR LED

На противоположном конце спектра вы также можете получить ультрафиолетовые светодиоды. Ультрафиолетовые светодиоды сделают некоторые материалы флуоресцентными, как черный свет! Они также используются для дезинфекции поверхностей, потому что многие бактерии чувствительны к ультрафиолетовому излучению.Они также могут быть использованы для обнаружения поддельных (счета, кредитные карты, документы и т. Д.), Солнечные ожоги, список можно продолжать. Пожалуйста, надевайте защитные очки при использовании этих светодиодов.

Ультрафиолетовый светодиод осматривает законопроект США

Больше светодиодов

С такими модными светодиодами, как они, нет никакого оправдания тому, чтобы что-то не было освещено. Однако, если ваша жажда знаний о светодиодах не была утолена, тогда читайте дальше, и мы начнем разбираться со светодиодами, цветом и яркостью света!

Delving Deeper

Итак, вы закончили со светодиодами 101 и хотите больше? О, не волнуйся, у нас есть больше.Давайте начнем с науки о том, что заставляет светодиоды тикать … ошибаться … мигать. Мы уже упоминали, что светодиоды — это особый вид диодов, но давайте немного углубимся в то, что это означает:

То, что мы называем светодиодом, это на самом деле светодиод и упаковка, но сам светодиод на самом деле крошечный! Это чип из полупроводникового материала, который легирован примесями, что создает границу для носителей заряда. Когда ток течет в полупроводник, он прыгает с одной стороны этой границы на другую, высвобождая энергию в процессе.В большинстве диодов эта энергия выделяется в виде тепла, а в светодиодах эта энергия рассеивается в виде света!

Длина волны света и, следовательно, цвет, зависит от типа полупроводникового материала, используемого для изготовления диода. Это связано с тем, что структура энергетических зон полупроводников различается между материалами, поэтому фотоны излучаются с разными частотами. Вот таблица распространенных светодиодных полупроводников по частоте:

Усеченная таблица полупроводниковых материалов по цвету. Полная таблица доступна в записи в Википедии для «LED»

Хотя длина волны света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, интенсивность зависит от количества мощности, проталкиваемой через диод.Мы немного поговорили об интенсивности света в предыдущем разделе, но это не просто обозначение яркости чего-либо.

Единица измерения силы света называется канделой, хотя, когда вы говорите об интенсивности одного светодиода, вы обычно находитесь в диапазоне милликанделей. Что интересно в этом устройстве, так это то, что он не является мерой количества световой энергии, а фактическим показателем «яркости». Это достигается путем взятия мощности, излучаемой в определенном направлении, и взвешивания этого числа по функции яркости света.Человеческий глаз более чувствителен к некоторым длинам волн света, чем к другим, и функция яркости является стандартизированной моделью, которая учитывает эту чувствительность.

Световая интенсивность светодиодов может варьироваться от десятков до десятков тысяч милликандела. Индикатор питания на вашем телевизоре, вероятно, около 100 мкд, тогда как хороший фонарик может быть 20000 мкд. Смотреть прямо на что-то более яркое, чем несколько тысяч милликандел, может быть больно; не пытайся

Падение Напряжения

О, я также пообещал, что мы поговорим о концепции прямого падения напряжения.Помните, когда мы смотрели таблицу, и я упомянул, что прямое напряжение всех ваших светодиодов, сложенных вместе, не может превышать напряжение вашей системы? Это связано с тем, что каждый компонент в вашей схеме имеет , чтобы разделить напряжение , и величина напряжения, которую каждая деталь использует вместе, всегда будет равна доступному количеству. Это называется законом напряжения Кирхгофа. Таким образом, если у вас есть источник питания 5 В, а каждый из ваших светодиодов имеет прямое падение напряжения на 2,4 В, то вы не можете подавать питание более двух раз за раз.

Законы Кирхгофа также пригодятся, когда вы хотите приблизить напряжение на данной части на основе прямого напряжения других частей. Например, в примере, который я только что дал, есть источник питания 5 В и 2 светодиода с падением прямого напряжения 2,4 В каждый. Конечно, мы хотели бы включить резистор ограничения тока, верно? Как бы вы узнали напряжение на этом резисторе? Это просто:

5 (Напряжение системы) = 2,4 (светодиод 1) + 2,4 (светодиод 2) + резистор

5 = 4.8 + Резистор

Резистор = 5 — 4,8

Резистор = 0,2

Итак, на резисторе 0,2 В! Это упрощенный пример, и это не всегда так просто, но, надеюсь, это даст вам представление о том, почему прямое падение напряжения важно. Используя число напряжений, которое вы выводите из законов Кирхгофа, вы также можете делать такие вещи, как определение тока через компонент, используя закон Ома. Короче говоря, вы хотите, чтобы напряжение вашей системы было равно ожидаемому прямому напряжению компонентов вашей комбинированной схемы.

Расчет токоограничивающих резисторов

Если вам необходимо рассчитать точное значение ограничивающего ток резистора последовательно со светодиодом, обратитесь к одному из примеров приложений в руководстве по резисторам для получения дополнительной информации.

Ресурсы и дальнейшее развитие

Вы сделали это! Вы знаете, почти все … о светодиодах. А теперь иди и поставь светодиоды на что угодно! А теперь … драматическая реконструкция светодиода без токоограничивающего резистора, который перегружен и сам перегорает:

Да… это не впечатляет.

Если вы хотите узнать больше о некоторых темах, связанных со светодиодами, посетите следующие учебники:

Свет

Свет — полезный инструмент для инженера-электрика. Понимание того, как свет относится к электронике, является фундаментальным навыком для многих проектов.

ИК-связь

Это руководство объясняет, как работает обычная инфракрасная (ИК) связь, а также показывает, как настроить простой ИК-передатчик и приемник с Arduino.

Как делают светодиоды

Мы познакомимся с производителем светодиодов и узнаем, как изготавливаются светодиоды PTH 5 мм для SparkFun.

Руководство по сборке панели RGB

Создавайте яркие, красочные дисплеи с использованием светодиодных матричных панелей RGB 32×16, 32×32 и 32×64. В этом руководстве показано, как подключить эти панели и управлять ими с помощью Arduino.

Marquee Party Bag

Этот урок содержит все, что вам нужно знать, чтобы создать собственную сумку Marquee Party!

Хотите узнать больше о светодиодах?

На странице LED вы найдете все, что вам нужно знать, чтобы начать использовать эти компоненты в своем проекте.

Возьми меня туда!

Или проверьте некоторые из этих связанных сообщений в блоге:

,
Модульные схемы с зеркальным отображением тока с использованием BJT и MOSFET

Модульное зеркало с подсветкой является широко распространенным методом проектирования монолитных ИС. В этом методе схема спроектирована таким образом, что она копирует ток через одно активное устройство в другое активное устройство с функцией управления током. При этом ток, протекающий через одно устройство, может быть скопирован в другое устройство, но в инвертированной форме. Если ток первого устройства изменяется, зеркальный токовый выход другого устройства также изменится.Таким образом, управляя током в одном устройстве, током в другом устройстве также можно управлять. Таким образом, текущая зеркальная цепь часто относится к источнику тока с управлением по току или CCCS .

Характеристика и зависимость токовой зеркальной цепи

Токовая зеркальная схема имеет множество первичных и вторичных зависимостей, и это является главной задачей для характеристики текущей зеркальной цепи.

Правильную токовую зеркальную цепь можно охарактеризовать, используя три спецификации.

1. Коэффициент передачи тока

Токовая зеркальная схема, зеркальное отображение или копирование входного тока одного активного устройства на выход других активных устройств. Идеальная токовая зеркальная схема — это идеальный усилитель тока с инвертирующей конфигурацией, который может изменять направление тока. Поэтому для идеального усилителя тока коэффициент передачи тока является важным параметром.

2. Выходное сопротивление переменного тока

Сопротивление имеет отношение напряжения к току согласно закону Омов.Таким образом, выходное сопротивление переменного тока играет основную роль в стабильности выходного тока по отношению к изменениям напряжения.

3. Падение напряжения

Правильная схема рабочего зеркала имеет низкое падение напряжения на выходе. Диапазон напряжения, в котором может работать токовая зеркальная цепь, называется диапазоном соответствия , а минимальное и максимальное поддерживаемое напряжение в этом диапазоне соответствия называется напряжением соответствия . Для поддержания транзистора в активном режиме требуется минимальное напряжение, поэтому минимальное напряжение зависит от характеристик транзистора.

Ограничения в цепях зеркал реального тока

Идеальная схема и реальная схема, эти два совершенно разные. В реальном мире нет ничего, что называется идеальным или идеальным. Однако, прежде чем понимать ограничения существующих зеркальных цепей в реальных приложениях, необходимо понять источник напряжения и тока, а также их идеальное и реальное поведение.

Источник напряжения — это устройство, которое способно подавать постоянное и стабильное напряжение на нагрузку. В идеальной терминологии источник напряжения будет постоянно обеспечивать фиксированное напряжение, не завися от тока нагрузки . Поэтому мы можем подключить любое сопротивление нагрузки к идеальному источнику напряжения и получать стабильное и постоянное напряжение каждый раз. Это не относится к реальному источнику напряжения. В реальном мире источники напряжения, такие как батареи, источники питания и т. Д., Не могут обеспечивать неограниченный или бесконечный ток для нагрузок.

То же, что и идеальный источник напряжения, независимо от напряжения на клеммах, источник тока может выдавать или принимать токи.Но в реальном мире напряжение также влияет на процесс доставки постоянного тока.

В случае токовых зеркальных цепей источники напряжения и тока идеальны. Но в реальном сценарии у них есть шумы, допуски, пульсации, поэтому выходное напряжение меняется. Это все влияет на текущий вывод зеркала.

Не только это, но теоретически в идеальных токовых зеркальных цепях импеданс переменного тока принимается как бесконечный, но это не так в сценарии реального мира.Текущая схема зеркала в практическом мире имеет конечный импеданс, который влияет на текущий процесс доставки. Также реализация схемы создает паразитную емкость , что приводит к ограничению частоты .

Схема тока зеркала с использованием BJT

Биполярные переходные транзисторы широко используются для отражения тока. Первый способ использования транзистора с биполярным переходом в качестве схемы зеркала тока состоит в создании экспоненциального преобразователя напряжения в ток с использованием транзистора.Это делается путем подачи напряжения на соединение база-эмиттер BJT, и ток коллектора принимается в качестве выхода. В этой конфигурации преобразователя напряжения в ток простая отрицательная обратная связь через транзистор преобразует свойства преобразователя напряжения в ток в противоположный логарифмический преобразователь тока в напряжение. Как правило, отрицательная обратная связь осуществляется путем соединения базы и коллектора транзистора.

Current Mirror Circuit using BJT

Давайте рассмотрим изображение выше .Прежде чем понять, как работает схема, необходимо понять рабочие характеристики транзистора. При работе в активном режиме ток коллектора транзистора можно рассчитать путем умножения базового тока на отношение β. Соотношение между током эмиттера и током коллектора называется ɑ. Соотношение между этими двумя можно описать с помощью простой математической формации

  ɑ = β / (β + 1)  

Следовательно, постоянное базовое напряжение эмиттера обеспечивает постоянный ток эмиттера.Этот постоянный ток эмиттера , который можно умножить на постоянное отношение ɑ, дополнительно обеспечивает постоянный ток коллектора .

На предыдущем изображении прямой смещенный диод используется параллельно переходу база-эмиттер, который обеспечивает постоянное напряжение на транзисторе. Напряжение на базе излучателя является постоянным в зависимости от тока, протекающего через диод. Тем не менее, ток диода может контролироваться резистором смещения. Если ток через диод уменьшается при увеличении значения сопротивления смещения, падение напряжения на диоде также будет уменьшаться.Из-за уменьшения напряжения соединения база-эмиттер ток эмиттера также будет уменьшаться в той же пропорции. Необходимо помнить одну вещь, что ɑ и β транзистора постоянны.

Изменяя ток диода, током эмиттера транзистора можно управлять . И тем же самым способом ток коллектора транзистора также может быть изменен в той же пропорции. По этому правилу ток эмиттера транзистора может измеряться в коллекторе транзистора.Таким образом, резистор смещения может управлять током коллектора транзистора.

Этот диод может быть легко заменен с помощью транзистора, который аналогичен другому аналогу.

На изображении ниже показаны два транзистора, которые используются для создания текущей схемы зеркального отображения. Транзисторы Т1 и Т2 должны быть одинаковыми аналогами. Кроме того, два транзистора должны быть расположены близко друг к другу для равномерного теплообмена.

Current Mirror Circuit using Transistor

Если внимательно рассмотреть схему, база-эмиттер двух транзисторов, T1 и T2, параллельны друг другу. Поэтому два транзистора имеют одинаковый ток. Таким образом, лучший способ определить выходной ток — это сложить ток узла, по которому течет I REF .

Согласно закону Кирхгофа ток на коллекторе Т1 равен —

  I  REF  = I  C  + I  B1  + I  B2   

Поэтому, когда оба транзистора работают с нулевым смещением базового коллектора, базовые токи равны,

  Базовый ток T1 (I  B1 ) = Базовый ток T2 (I  B2 ) = Общий базовый ток узла (I  B )  

Base Current Formula for Current Mirror Circuit using Transistor

Конечное выходное сопротивление выходного транзистора можно рассчитать по следующей формуле:

  R  OUT  = V  A  + V  CE  / I  C  Согласно R = V / I  

Напряжение соответствия , где В DG = 0 и текущее поведение зеркала по-прежнему работает при самом низком выходном напряжении, можно рассчитать так:

V CV = V T ln ((I C / I S ) +1)) Где V T представляет тепловое напряжение, а I S — ток шкалы.

Современная технология зеркал с использованием MOSFET

Токовая схема зеркала может быть легко реализована с помощью двух МОП-транзисторов. Работа токовой зеркальной схемы MOSFET аналогична описанной в предыдущем разделе о транзисторах.

Current Mirror Circuit using MOSFET

Рассмотрим вышеупомянутую схему зеркального отображения тока с использованием MOSFET , МОП-транзистор M1 находится в области насыщения как V DS ≤ V GS .В случае MOSFET M2 он также будет оставаться в режиме насыщения, пока выходное напряжение больше, чем напряжение насыщения. Следовательно, входной ток через M1 будет напрямую контролировать выходной ток M2.

Устройство МОП-транзистора работает следующим образом: ток стока отражает функцию напряжения на затворе и источника на стоке.

Итак, формула может быть написана с использованием функции ниже,

  I  D  = f (V  GS , V  DG )  

В связи с этим, входной ток в MOSFET M1, отражается на ток стока.На изображении входной ток обеспечивается резистором смещения.

Если напряжение стока до затвора V DG равно 0 для MOSFET M1, то ток стока M1 будет

  I  D  = f (V  GS , V  DG  = 0)  

Следовательно, f (V GS , 0) = I IN Таким образом, I IN устанавливает значение V GS. . То же напряжение на затворе отражается через М2. Итак, если М2 смещен с использованием нуля

V DG и предоставленные транзисторы M 1 и M 2 имеют идентичные свойства и точное соответствие, тогда

I OUT = f (V GS , V DG = 0) верно.

Итак, выходного тока отражается как входной ток, I OUT = I IN

Напряжение сток-исток может быть далее введено как V DS = V DG + V GS . С этим переключением модель Шихмана-Ходжеса может дать приблизительный ответ f (V GS , V DG ):

Функция может быть выражена как

Drain Current Formula for Current Mirror Circuit using Transistor

Кроме того, выходное сопротивление также может быть рассчитано как конечное выходное сопротивление,

Output Resistance Formula for Current Mirror Circuit

В приведенных выше формулах K P — это константа, относящаяся к транзисторной технологии, W / L — это отношение ширины и длины, а λ используется для постоянной модуляции длины канала.

V GS , V th и V DS являются затвором напряжения источника, пороговым напряжением и стоком напряжения источника соответственно.

Соответствующее напряжение , где V DG = 0 и сопротивление выходного полевого МОП-транзистора все еще остается высоким, поведение зеркала по-прежнему работает при самом низком выходном напряжении. Соответствие напряжению можно рассчитать, выведя условие —

  V  CV  = V  GS  (I  D  при V  DG  = 0) 
  Или, f  -1  (I  D ), когда V  DG  = 0  

Практическая модель для токовой схемы зеркала

Текущая зеркальная цепь моделируется с использованием моделей Proteus.

Practical Model for Current Mirror Circuit

С левой стороны показана текущая зеркальная схема, использующая 2N2222 BJT, где используются две идентичные пары транзисторов. Вместо программирующего резистора используется потенциометр для управления током в симуляции в реальном времени. Это то же самое, что сделано для 2N6660 MOSFET.

Амперметр подключен на стороне входного и выходного тока. В процессе симуляции входной ток практически одинаков и отражает вторичную сторону.

Подробно о работе можно увидеть в видео, приведенном ниже.

Применение токовой зеркальной схемы

Широко применяется токовая зеркальная схема в области производства интегральных схем. Источник опорный ток создается с помощью токового зеркала. Используя эту технику, можно создать нескольких опорных точек из одного источника. Следовательно, изменение одной контрольной точки также изменяет источник тока в разных частях схемы.

,
Схем

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о