Diyargroup.ru

Ремонт Строй
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Как стабилизировать ток в цепях светодиодов

PicHobby.lg.ua

В статье расскажу, как сделать простой стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе.

Описание задумки.

Задолго до разработки фонарика на ATtiny13 мне уже доводилось работать со сверх-яркими светодиодами. И что могу сказать. Редкий радиолюбитель жаждет чтобы светодиоды перегорали, как можно чаще! :). Особенно мощные и дорогие. Вот и мне этого не хотелось и решил взяться за разработку стабилизатора тока.

Немного теории.

Мне часто задают один и тот же вопрос, мол почему именно стабилизатор тока лучше для светодиодов, а не стабилизатор напряжения. Ответ простой, но он многим не нравиться. Постараюсь пояснить на вольт-амперной характеристики(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528, рисунок 1.

Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528 при 25⁰С.

Ось У – ток через светодиод.

Ось Х – падение напряжения на светодиоде.

Теперь внимание! Заявленный производителем ток для данного светодиода равен 20мА. Смотрим на рисунок и видим, что ток 20 мА приблизительно соответствует напряжению на светодиоде 3,4В. Если поднять напряжение на светодиоде до 3,5В, а это всего лишь на 0,1В больше чем его типовое напряжение, то ток увеличиться до 50мА, а это в 2,5 раза больше чем его заявленный ток. Если всё перевести в процентное соотношение, то получиться что ток возрастает в 2,5 раза, при увеличении напряжения всего лишь на 3%(округлил). Вот почему стабилизатор напряжения должен быть практически идеальным!

Теперь рассмотрим стабилизатор тока. Если стабилизировать ток 20мА, то увеличение тока на 3% даст результат – 20,6мА. Согласитесь, что это совсем другой результат и он куда лучше предыдущего!

Иногда мне пытаются доказать, что последовательное соединение светодиодов + стабилизатор напряжения лучше, чем параллельное + стабилизатор тока. Это, конечно, тема для отдельной статьи, но хочу тут немного пояснить, что параллельное соединение однозначно выигрывает.

Для примера возьмём пять светодиодов 20мА, 3,4В и соединим их последовательно и параллельно. При последовательном соединении если один светодиод перегорает и остаётся замкнутым, а такое бывает и часто, напряжение 17В(3,4В*5шт) делится между оставшимися четырьмя светодиодами в равных пропорциях (предположим что так). Получается, что падение напряжение на каждом светодиоде будет — 4,25В (17В/4шт). Ток при этом возрастает до неимоверных значений, а это приводит к последовательному перегоранию оставшихся светодиодов или части из них.

При параллельном соединении и стабилизации тока в 100мА(20мА*5шт) перегорание светодиода приведёт к увеличению тока на оставшихся всего на 5мА(20мА/4шт). Или по-другому: 100мА/4шт = 25мА – ток на каждом светодиоде. Разница очевидна! В этой статье не буду больше приводить плюсы и минусы каждого из решений, статья совсем о другом. Надеюсь пример был понятным. Мой личный выбор всегда на стороне параллельного соединения светодиодов и стабилизатора тока для них. Если и ваш тоже, то читайте дальше, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов.

О схеме.

Принципиальная схема стабилизатора тока на полевом транзисторе показана на рисунке 2.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе схема

Резистор R1 нужен для того чтобы транзистор VT2 открывался. Стабилитрон VD1 защищает затвор от перенапряжения, для транзистора P0903BDG максимальное напряжение затвор-сток – 20В. Если у вас другой транзистор, то информацию на него смотрите в даташите. Параметр этот называется Gate-Source Voltage. Если напряжение питание значительно меньше максимального напряжения затвор-сток, то можно вообще стабилитрон не ставить. Резисторы R2-R6 выполняют роль шунта. На схему добавил их побольше чтобы можно было удобно подобрать нужный номинал.

Читайте так же:
Встраиваемый выключатель для светодиодной ленты

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT2 открыт, ток протекает через светодиоды и шунт из резисторов R2-R6, транзистор VT1 закрыт. При протекании тока через шунт на нём падает определённое напряжение и если оно равняется напряжению открытия транзистора VT1, то он открывается и «садит» затвор транзистора VT2 на минус питания, транзистор VT2 закрывается и ток через светодиоды и шунт начинает снижаться. При снижении тока через светодиоды будет снижаться падение напряжение и на шунте, как только напряжение станет меньше чем нужно для открытия транзистора VT1, он закроется и «освободит» затвор транзистора VT2. Транзистор VT2 снова откроется и ток устремиться к светодиодам и шунту. Дальше все повторяется по кругу.

Настройка.

Настройка схемы заключается в определении необходимого тока для светодиодов и подбору номиналов резисторов шунта. Приблизительно считаю, что падение напряжение на шунте должно быть около 0,5В. Этого напряжения достаточно для открытия транзистора VT1. Хотя по даташиту напряжение база-эмиттер для транзистора BC846 – 0,66В, для отечественных – 0,7В.

В качестве примера рассчитаю для вас номиналы резисторов шунта на ток 170мА.

Сопротивление шунта(Ом) = падение напряжение на шунте(В) / ток через шунт (А), получается: Сопротивление шунта = 0,5В / 0,17А = 2,94 Ом. Полученный результат округляю до 3 Ом. Из стандартного ряда можно взять два резистора номиналом 1 Ом и 2 Ом и впаять их на плату, как R2, R3. Резисторы R4-R6 при этом исключаются из схемы.

Дальше нужно проверить какой ток стабилизирует стабилизатор. Для проверки потребуется амперметр или миллиамперметр. Прибор нужно подключить в разрыв любого из проводов питания, подать питающее напряжение, оно, кстати, должно быть больше чем типовое питание светодиодов. Лучше использовать источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения. Подключаем, регулируем, смотрим.

В определённый момент времени ток через стабилизатор перестанет меняться – это и будет током стабилизации. Дальнейшее увеличение напряжения ничего не изменит, разве что добавит разогрев транзистора VT2. Нужно понимать, что всё избыточное напряжение будет выделяться на транзисторе VT2 в качестве тепла. Если ток стабилизации получился таким какой нужен значит подбор шунта закончен, если же ток отличается от нужного значения в большую сторону – увеличиваем сопротивление шунта, в меньшую – уменьшаем.

О печатной плате.

Печатную плату разрабатывал под SMD компоненты в программе P-CAD 2006. Размеры платы – 37×18мм, рисунок 3. Вы можете разработать свою печатную плату и прислать мне файл для размещения на сайте.

Печатная плата стабилизатора тока на полевом транзисторе

О деталях.

Перечень деталей, необходимых для сборки стабилизатора тока, свёл в таблицу 1.

Испытание

3D модель платы стабилизатора тока и реализация

Ток короткого замыкания при R=2 Ом

Это адекватный результат для такой схемы. Далее были подключены по очереди два светодиода 10 Вт с различным напряжением питания. Для СД с одним кристаллом напряжение вышло U вых = 2.72 В при токе I вых = 0.31 А, при этом на входе U пит = 10.88 В, т.е. рассеивается примерно:

P1 = (U пит — U вых )*I вых = (10.88-2.72)*0.31 = 8.16*0.31 = 2.53 Вт

Для второго светодиода, в котором три кристалла соединены последовательно U вых = 10.32 В, I вых = 0.29 А при U пит = 11.22 В, получаем:

P2 = (U пит — U вых )*I вых = (11.22-10.32)*0.31 = 0.9*0.31 = 0.279 Вт

Читайте так же:
Выключатель птф с подсветкой

Когда входное напряжение как можно меньше отличается от нужного напряжения питания для обеспечения требуемого тока, тогда и достигается высокий КПД (со вторым СИД η = 92%) при простоте исполнения.

Заменим резистор, определяющий выходной ток источника тока на 470 Ом, тогда получим выходной ток:

I вых = U БЭ /R2 = 0.6 / 471 = 1276 мкА

Выходной ток 1.323 мА при резисторе 470 Ом

Таким образом при питании 12 В подключаем светодиод 5 мм, через него проходит ток

1.3 мА, через два/три светодиода ток будет такой же, ведь напряжения питания хватает для этого.

Питание светодиода 5мм от источника ток

Ещё сделал небольшой график зависимости выходного стабильного тока от напряжения питания стабилизатора тока. Сначала происходит выход на номинальный ток (когда напряжения питания не хватает для I ст ), а потом всё прекрасно, при изменении напряжения в три раза (с 10 до 30 В) изменение тока всего на 0.64 мА или 4.22%.

Стабилизирующие устройства линейного типа

С помощью стабилизатора выполняется установка тока, проходящего через светодиод, с заданным значением, не зависящим от напряжения, приложенного к схеме. Если напряжение превысит пороговый уровень, ток все равно останется прежним и не будет изменяться. В дальнейшем, когда общее напряжение увеличится, его рост произойдет лишь на стабилизаторе тока, а на светодиоде оно останется неизменным.

Таким образом, при неизменных параметрах светодиода, стабилизатор тока может называться стабилизатором его мощности. Распределение активной мощности, выделяемой устройством в виде тепла, происходит между стабилизатором и светодиодом пропорционально напряжению на каждом из них. Данный тип стабилизатора получил название линейного.

Нагрев линейного стабилизатора тока возрастает вместе с ростом приложенного к нему напряжения. Это является его основным недостатком. Тем не менее, это устройство обладает рядом преимуществ. Во время работы отсутствуют электромагнитные помехи. Конструкция очень простая, что делает изделие достаточно дешевым в большинстве схем.

Существуют такие области применения, в которых линейный стабилизатор тока для светодиодов на 12 В становится более эффективным, по сравнению с импульсным преобразователем, особенно когда напряжение на входе лишь незначительно выше напряжения на светодиоде. Если питание осуществляется от сети, в схеме может использоваться трансформатор, к выходу которого подключается линейный стабилизатор.

Таким образом, вначале напряжение снижается до такого же уровня, как и в светодиоде, после чего линейный стабилизатор устанавливает необходимое значение тока. Другой вариант предполагает приближение напряжения светодиода к питающему напряжению. С этой целью выполняется последовательное соединение светодиодов в общую цепочку. В результате, общее напряжение в цепи составит сумму напряжений каждого светодиода.

Некоторые стабилизаторы тока могут быть выполнены на полевом транзисторе, с использованием р-п-перехода. Ток стока устанавливается с помощью напряжения затвор-исток. Ток, проходящий через транзистор, такой же, как и начальный ток стока, указанный в технической документации. Значение минимального рабочего напряжения такого устройства зависит от транзистора и составляет порядка 3 В.

Высокочастотные модели

Высокочастотный стабилизатор тока на транзисторе КК20 отличается быстрым процессом преобразования. Происходит это за счет смены полярности на выходе. Частотозадающие конденсаторы устанавливаются в цепи попарно. Фронт импульсов в такой ситуации не должен превышать 2 мкс. В противном случае стабилизатор тока на транзисторе КК20 ждут значительные динамические потери. Насыщение резисторов в цепи может осуществляться при помощи усилителей. В стандартной схеме их предусмотрено не менее трех единиц. Для уменьшения тепловых потерь используются емкостные конденсаторы. Скоростные характеристики ключевого транзистора зависят исключительно от величины делителя.

Читайте так же:
Можно ли запитать светодиодную ленту от розетки

регулируемый стабилизатор тока

Бывают случаи, когда необходимо пропускать стабильный ток через светодиоды, ограничить ток зарядки аккумуляторов или испытать источник питания, а реостата под рукой нет. В этом, и не только, случае помогут специальные схемотехнические решения ограничивающие, регулирующие и стабилизирующие ток. Далее подробно рассмотрены схемы стабилизаторов и регуляторов тока

Источники тока, в отличие от источников напряжения, стабилизируют выходной ток, изменяя выходное напряжение так, чтобы ток через нагрузку всегда оставался одинаковым.
Таким образом, источник тока отличается от источника напряжения, как вода отличается от суши. Типичное применение источников тока – питание светодиодов, зарядка аккумуляторов и т.п.
Внимание! Не путайте стабилизатор тока со стабилизатором напряжения! Это может плохо кончиться =)

Простой стабилизатор тока на КРЕНке

Для этого стабилизатора тока достаточно применить КР142ЕН12 или LM317. Это регулируемые стабилизаторы напряжения способные работать с токами до 1,5А, входными напряжениями до 40В и рассеивают мощность до 10Вт (при соблюдении теплового режима).
Схема и применение показаны на рисунках ниже

Стабилизатор тока на КР142ЕН12 (LM317)

Стабилизатор тока на КРЕН в качестве зярядного устройства

Собственное потребление данных микросхем относительно невелико – около 8мА и это потребление практически не меняется при изменении тока протекающего через крен или изменения входного напряжения. Как видим, в вышеприведенных схемах, стабилизатор LM317 работает как стабилизатор напряжения, удерживая на резисторе R3 постоянное напряжение, которое можно регулировать в некоторых пределах построечным резистором R2. В данном случае R3 называется токозадающим резистором. Поскольку сопротивление R3 неизменно, то ток через него будет стабильным. Ток на входе крен будет примерно на 8мА больше.

Таким образом, мы получили простой как веник стабилизатор тока, который может применяться как электронная нагрузка, источник тока для заряда аккумуляторов и т.п.

Интегральные стабилизаторы достаточно шустро реагируют на изменение входного напряжения. Недостаток же такого регулятора тока – весьма большое сопротивление токозадающего резистора R3 и как следствие необходимость применять более мощные и более дорогие резисторы.

Простой стабилизатор тока на двух транзисторах

Достаточно широкое распространение получили простенькие стабилизаторы тока на двух транзисторах. Основной минус данной схемы – не очень хорошая стабильность тока в нагрузке при изменении питающего напряжения. Впрочем, для многих применений сгодятся и такие характеристики.

Далее показана схема стабилизатора тока на транзисторе. В данной схеме токозадающим резистором является R2. При увеличении тока через VT2, увеличится напряжение на токозадающем резисторе R2, которое при величине примерно 0,5…0,6В начинает открывать транзистор VT1. Транзистор VT1 открываясь начинает закрывать транзистор VT2 и ток через VT2 уменьшается.

Стабилизатор тока на транзисторах

Вместо биполярного транзистора VT2, можно применить MOSFET – полевой транзистор.

Стабилитрон VD1 выбирается на напряжение 8…15В и необходим в случаях, когда напряжение источника питания достаточно велико и может пробить затвор полевого транзистора. Для мощных MOSFET это напряжение составляет порядка 20В. Далее показана схема стабилизатора тока с использованием MOSFET.

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

Нужно учитывать, что MOSFET открываются при напряжении на затворе не менее 2В, соответственно увеличивается и напряжение, необходимое для нормальной работы схемы стабилизатора тока. При зарядке аккумуляторов и некоторых других задачах вполне достаточно будет включить транзистор VT1 с резистором R1 непосредственно к источнику питания так, как это показано на рисунке:

Читайте так же:
Максимальный прямой ток светодиода

Стабилизатор тока на полевом транзисторе

В схемах стабилизатора тока на транзисторах необходимое значение токозадающего резистора для заданного значения тока примерно в два раза меньше, чем в схемах со стабилизатором на КР142ЕН12 или LM317. Это позволяет применить токозадающий резистор меньшей мощности.

Стабилизатор тока на операционном усилителе (на ОУ)

Если необходимо собрать регулируемый в широких пределах стабилизатор тока или стабилизатор тока с токозадающим резистором на порядок или даже два ниже, чем на схемах, показанных ранее, можно применить схему с усилителем ошибки на ОУ (операционном усилителе). Схема такого стабилизатора тока показана на рис:

Стабилизатор тока на операционном усилителе

В данной схеме токозадающим является резистор R7. ОУ DA2.2 усиливает напряжение токозадающего резистора R7 – это усиленное напряжение ошибки. ОУ DA2.1 сравнивает опорное напряжение и напряжение ошибки и регулирует состояние полевого транзистора VT1.

Обратите внимание, что схема требует отдельного питания, подаваемого на разъем XP2. Напряжение питания должно быть достаточным для работы компонентов схемы и не превышать значения напряжения пробоя затвора MOSFET VT1.

В качестве генератора опорного напряжения в схеме на рис. 7 применена микросхема DA1 REF198 с выходным напряжением 4,096В. Это достаточно дорогая микросхема, поэтому ее можно заменить обычной кренкой, а если напряжение питания схемы (+U) является стабильным, то и вовсе обойтись без стабилизатора напряжения в данной схеме. В этом случае переменный резистор R подсоединяется не к REF, а к +U. В случае электронного управления схемой вывод 3 DA2.1 можно подключить непосредственно к выходу ЦАП.

Для настройки схемы необходимо выставить ползунок переменного резистора R1 в верхнее по схеме положение, подстроечным резистором R3 установить необходимое значение тока – это значение будет максимальным. Теперь резистором R1 можно регулировать ток через VT1 от 0 до установленного при настройке максимального тока. Элементы R2, C2, R4 необходимы для предотвращения возбуждения схемы. Из-за этих элементов временные характеристики не являются идеальными, что видно по осциллограмме

Осциллограмма стабилизатора тока на ОУ

На осциллограмме луч 1 ( желтый ) показывает напряжение нагружаемого ИП (источника питания), луч 2 ( голубой ) показывает напряжение на токозадающем резисторе R7. Как видно, в течение 80 мкс через схему протекает ток в несколько раз больше установленного.

Стабилизатор тока на микросхеме импульсного стабилизатора напряжения

Иногда от стабилизатора тока требуется не только работать в широком диапазоне питающих напряжений и нагрузок, но и иметь высокий КПД. В этих случаях компенсационные стабилизаторы не годятся и на смену им приходят стабилизаторы импульсные (ключевые). Кроме того, импульсные стабилизаторы могут при небольшом входном напряжении получать высокое напряжение на нагрузке.

Далее предлагается к рассмотрению широко распространенная микросхема MAX771. Основные характеристики MAX771:

  • Напряжение питяния 2…16,5В
  • Собственное потребление 110uA
  • Выходная мощность до 15W
  • КПД при токе нагрузки 10mA…1A достигает 90%
  • Опорное напряжение 1,5V

На рисунке показан один из вариантов включения микросхемы, именно его мы и возьмем за основу нашей схемы.

MAX771 включен как повышающий стабилизатор напряжения

Упрощенно процесс стабилизации выглядит следующим образом. Резисторы R1 и R2 являются делителями выходного напряжения микросхемы, как только делимое напряжение, поступающее на вывод FB микросхемы MAX771, больше опорного напряжения (1,5V) микросхема уменьшает выходное напряжение и наоборот — если напряжение на выводе FB меньше 1,5V, микросхема увеличивает входное напряжение.

Читайте так же:
Вико кармен выключатель с подсветкой

Очевидно, что если контрольные цепи изменить так, чтобы MAX771 реагировала (и соответственно регулировала) выходной ток, то мы полчим стабилизированный источник тока.
Ниже показаны модифицированная схема с ограничением выходного напряжения и вариант нагрузки.

При небольшой нагрузке, пока падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3 меньше 1,5V, схема на Рис.10a работает как стабилизатор напряжения, стабилизируя напряжение на уровне стабилитрона VD2 + 1,5V. Как только ток нагрузки становится достаточно большим, на R3 падение напряжения увеличивается и схема переходит в режим стабилизации тока.

Резистор R8 устанавливается в том случае, если напряжение стабилизации может быть большим — больше 16,5V. Резистор R3 является токозадающим и рассчитывается по формуле: R3 = 1,5/Iст.
Недостатком схемы является достаточно большое падение напряжения на токоизмерительном резисторе R3. Данный недостаток устраняется применением операционного усилителя (ОУ) для усиления сигнала с резистора R3. Например, если резистор требуется уменьшить в 10 раз при заданном токе, то усилитель на ОУ должен усилить напряжение падающее на R3 тоже в 10 раз.

Заключение

Итак, было рассмотрено несколько схем выполняющих функцию стабилизации тока. Конечно же, эти схемы можно улучшать, увеличивая быстродействие, точность и т.д. Можно применять в качестве датчика тока специализированные микросхемы и делать сверхмощные регулирующие элементы, но эти схемы идеально подходят в тех случаях, когда требуется быстро создать инструмент для облегчения своей работы или решения определенного круга задач.

Схема стабилизатора напряжения 12 вольт для светодиодов в авто собственными руками на базе LM2940CT-12.0

Схема LM2940CT-12.0

Схема LM2940CT-12.0

Также для сборки качественного стабилизатора напряжения на автомобиль используют схему LM2940CT-12.0. В качестве корпуса используем абсолютно любой материал, за исключением древесины. Если в машине планируется установить свыше 10 светодиодных ламп, тогда к стабилизатору желательно прикрепить ещё и алюминиевый радиатор.

Возможно, некоторые уже имели опыт работы с таким оборудованием, и скажут, что нет никакой необходимости использовать дополнительные детали — сразу напрямую подключаем светодиоды и наслаждаемся работой. Так сделать можно, но в таком случае лампочки будут постоянно находиться в неблагоприятных условиях, а потому скоро сгорят.

Достоинства всех приведенных схем стабилизатора напряжения 12В собственными руками — простота сборки. Чтобы собрать стабилизатор, не нужно обладать какими-то особыми умениями и навыками. Но если предоставленные картинки вызывают только недоумение, тогда своими руками не следует пытаться собрать схему.

Основные выводы

Даже самый простой светодиод, если его питание происходит от 220 В переменного тока, требует для стабильности работы драйвер. Его основное значение – стабилизация, выпрямление тока и снижение напряжения. Изготовлен ли он своими руками, или куплен в магазине, его характеризуют три основных параметра:

  1. Номинальный ток.
  2. Мощность.
  3. Напряжение на выходе.

Драйвер для питания светодиодов от 220 В состоит из трех взаимодействующих каскадов – емкостного делителя напряжения, диодного выпрямляющего мостика и стабилизатора. Для монтажа подобного прибора своими руками потребуется запастись необходимыми радиокомпонентами и набором инструментов, купить которые можно в любом специализированном магазине. В ходе сборки устройства нужно строго придерживаться предложенной схемы и инструкции.

Если у вас есть опыт создания своими руками аналогичного драйвера или иной его модификации для светодиода с питанием от сети 220 В, обязательно напишите об этом в комментариях.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector