СВЕТОТЕХНИКА

Системы питания светодиодов

ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ДЛЯ СВЕТОДИОДОВ (LED)

Светодиод, или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED — от англ. Light-emitting diode) — полупроводниковый прибор, излучаю­щий некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава использованного в нем полупроводника.

ПО СРАВНЕНИЮ С ДРУГИМИ

электрическими источниками света светодиоды имеют следующие преимущества:

• Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по это­му параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом (CCFL)

• Высокая стойкость к механическим воздействиям (удары, вибрации и др.)

• Длительный срок службы

• Малая инерционность

• Низкая стоимость

• Безопасность (низкое рабочее напряжение)

• Широкий диапазон рабочей температуры

Светодиод не является аналогом лампы накаливания.

Это нелинейный полупроводниковый прибор.

Вольт-амперная характеристика светодиода не отличается от вольтамперной характеристики обычного выпрямительного диода (рис. 1). Ток, протекающий через светодиод, тем выше, чем выше приложенное напряжение. Яркость свечения свето­диода зависит от величины протекающего через него тока. Для каждого светодиода существуют допустимые значения напряжения питания Umax и Umax обр. При подаче напряже­ний свыше этих значений наступает электрический пробой, в результате которого светодиод выходит из строя. Существует и минимальное значение напряжения питания Umin, при кото­ром наблюдается свечение светодиода. Диапазон питающих напряжений между Umin и Umax называется рабочей зоной, так как именно здесь обеспечивается нормальная работа све­тодиода.

Полупроводниковые диоды имеют нелинейную зависимость прямого тока от напряжения на его выводах. До достижения по­рогового напряжения на его выводах (Umin на рис. 1) ток через прибор минимален, диод закрыт, но по достижению порогового напряжения диод открывается, ток резко возрастает.

Для наглядности приведены вольт-амперные характеристики (ВАХ) обычного кремниевого диода и светодиодов (рис. 2).

Рис. 1

Из приведенных характеристик понятно, что светодиод имеет малое дифференциальное сопротивление в диапазоне рабочих токов. Небольшое изменение напряжения в рабочей зоне приводит к резкому изменению тока через прибор. Чрезмерно большой ток через светодиод приводит к повышению его температуры и к преждевременной деградации (уменьшению свето­вого потока). Также при увеличении температуры снижается пороговое напряжение, что при использовании стабилизатора напряжения приводит к увеличению тока через светодиод. Поэтому подключение светодиодов напрямую к источнику напря­жения, без токоограничивающих или токостабилизирующих устройств не рекомендуется. Для питания светодиодов наиболее оптимально применять стабилизаторы (источники) тока.

Выбор источника питания для питания светодиодов можно представить следующей схемой (рис. 3).

В зависимости от условий применения готовые источники питания могут различаться наличием класса защиты от внешних воз­действий (IP), наличием или отсутствием корректора коэффициента мощности (ККМ — для AC-DC), вариантом исполнения.

Далее будут рассмотрены возможные варианты построения систем питания для светодиодов.

Рис. 3

источники питания на интегральных схемах

В настоящее время во многих случаях для питания светодиодных устройств можно найти готовый источник питания. Особен­но в тех случаях, когда к готовому источнику питания не предъявляется каких-то особых требований по управлению и серия этих устройств невелика. Если же требуется нестандартное решение или необходимо управлять светодиодным устройством по какому-то определенному алгоритму, возникает необходимость в разработке устройства питания на интегральных схемах. В этих случаях можно предложить разработчикам следующие варианты.

одноканальные стабилизаторы тока интегральные стабилизаторы тока Micrel

основные достоинства

• Небольшая занимаемая площадь печатной платы (2,4 см2)

• Высокий КПД (до 94%)

• Расширенный температурный диапазон (-40...+85 °С)

• ШИМ-управление

Все это дает возможность разместить источник питания непосредственно на плате светильника.

наименование №х, В! вых, А ^ых, В корпус

MIC2297 0,02 До 40 MLF 2x2 мм

MIC2298 2,5.10 До 1 До 30 MLF 3x3 мм

MIC2299 1 До 15 MLF 3x3 мм

Многоканальные стабилизаторы тока интегральные стабилизаторы тока Semtech

основные достоинства

• До 6 стабилизированных каналов в одном корпусе

• Высокий КПД (до 90%)

• Каналы стабилизатора согласованы по току (макс. разброс тока 1,5%)

• Широкий диапазон входных напряжений

• Небольшая занимаемая площадь печатной платы Все это позволяет разместить источник питания в корпусе светильника и сэкономить на затратах.

Интеллектуальные стабилизаторы тока

Там, где требуется динамически менять параметры освещения, наилучшим решением будет применение микроконтроллеров в системе управления светильником.

Микроконтроллер позволяет реализовать практически любой вариант управления светильником, причем варианты управления могут быть объединены в одном устройстве, например, диммере (регуляторе выходного тока), в выключателе одновременно с дистанционным диммером совместно с автоматическим изменением температуры цвета в зависимости от освещенности.

«ЭЛТЕХ» предлагает микроконтроллеры NEC Electronics — мирового лидера в производстве микроконтроллеров для жестких условий эксплуатации.

Микроконтроллеры NEC Electronics

основные преимущества применения микроконтроллеров NEC

• Все необходимые аппаратные блоки для реализации стабилизатора тока

• На одной микросхеме реализуется 3-канальный (RGB) прожектор

• На этом же контроллере реализуется корректор коэффициента мощности

• Есть все необходимые программные и аппаратные средства разработки

• В наличии отладочные комплекты

• Привлекательная цена

NEC ELECTRoNiCs Предлагает два тИПА контроллеров:

• Недорогие микроконтроллеры 78K0/Ix2 с быстродействующими ШИМ-таймерами

• Многофункциональный контроллер со встроенными стабилизаторами тока UPD78F8024

контроллер 78K0/ix2

Это семейство с 8-разрядным вычислительным ядром и аппаратным умножителем.

Для реализации стабилизатора тока контроллер имеет три 40 МГц ШИМ-таймера.

Обратная связь (ОС) по току может быть реализована двумя способами: релейная ОС (с использованием встроенных компа­раторов), следящая ОС (с использованием встроенного АЦП).

NEC Electronics предоставляет руководство по применению и исходные коды для реализации цифрового стабилизатора тока. Коммуникационный интерфейс поддерживает протоколы обмена DALI или DMX512.

ОСНОВНЫЕ достоинствА сЕмЕйствА контроллеров 78K0/Ix2:

• Недорогая схема для управления сверхъяркими светодиодами

• Периферия контроллера оптимизирована для управления светодиодами

• Возможность создания компактного RGB-прожектора с корректором коэффициента мощности

• Обработка протоколов DALI или DMX512

Микроконтроллер предлагается с тремя типами корпусов (SOIC-16, SOIC-20, SOIC-30).

микроконтроллер UPD78F8024

Контроллер UPD78F8024 представляет собой вычислительное ядро и высокочастотные импульсные драйверы-стабилизаторы тока в одном корпусе.

основные конкурентные преимущества UPD78F8024:

• 4 независимых канала стабилизации тока

• Высокочастотные импульсные стабилизаторы тока (то есть небольшие габариты внешних элементов)

• Широкий диапазон входных напряжений: до 42 В

• Возможность включения стабилизаторов

в Buck - или Boost-режиме (универсальность)

• Специализированная периферия контроллера для управления и контроля LED-драйверов

техподдержка

Компании «ЭЛТЕХ» и NEC Electronics предоставляют все необходимые материалы для максимально быстрой разработки и вне­дрения RGB-прожектора в производство.

В качестве поддержки разработчика и конструктора вы можете получить или приобрести следующие материалы:

для программиста: для конструктора:

• Алгоритмы работы стабилизаторов тока на микроконтроллерах • Отладочные комплекты

• Исходные коды и примеры программ • Принципиальные схемы

• Необходимые программные библиотеки на Си • Программаторы-отладчики

• Бесплатное программное обеспечение для отладки

готовые стабилизаторы тока

Как уже говорилось, во многих случаях для питания светодиодных систем можно найти готовые решения. Обычно выходной ток готовых светодиодных драйверов согласуется со стандартными токами, рекомендуемыми производителями для светодиодов. Это очень хорошо видно по линейке DC-DC драйверов, производимых компанией Aimtec.

DC-DC драйверы светодиодов Aimtec

Серия AMLDL-Z — это понижающие DC-DC преобразователи с входным диапазоном 7.30 В DC, выходными напряжениями 2.28 В DC и выходными токами 300/350 мА в компактном корпусе DIP14 (20,3x10,2x6,9 мм) и 500/ 600/700/1000 мА — в несколько большем корпусе DIP16 (23,4x14x10,2 мм). Рабочий диапазон темпе­ратур: -40...+85 °С. DC-DC драйверы этой серии не имеют гальванической развязки вход/выход, но при этом отличаются высоким КПД — 95%.

Преобразователи снабжены входом дистанционного включения/выключения и входом регулировки яркости свечения светодиодов цифровым (широтно-импульсная модуляция) или аналоговым (изменением напряжения) способом. Типовые схемы подключения представлены на рис. 11 и 12. Достоинством драйверов этой серии являются малые габариты и минимальное количество необходимых дополнительных внешних элементов.

Компания Mean Well уже давно представлена на российском рынке и пользуется заслуженной популярностью у потребителей из-за оптимального соотношения цена/качество производимой продукции. Она одной из первых начала предлагать готовые решения для подключения светодиодных систем.

В настоящее время компания Mean Well производит несколько серий AC-DC драйверов светодиодов различной мощности (от 18 до 240 Вт). Отличаются они как исполнением — открытая печатная плата, U-образный кожух, герметичный корпус, так и сервисными функциями. Большинство моделей имеет расширенный диапазон рабочих температур: -30...+70 °С. Все модели имеют гальваническую развязку вход/ выход. Часть приборов имеют механическую регулировку выходного напряжения и тока подстроечными резисторами, расположенными внутри корпуса.

Драйверы светодиодов серий PLP-xx (открытая печатная плата) и ULP-150 (U-образный кожух) предназначены для монтажа в герметичный кожух светодиодного светильника.

Кроме драйверов серий PLP и ULP, а также серии PLC-xx, все остальные драйверы имеют класс защиты от внешних воздействий IP64... IP67, что позволяет использовать их как внутри помещений, так и для наружного монтажа. Среди них можно отметить драйверы серии ELN-xx, модификации которых имеют возможность регулировки выходного тока внешним импульсным сигналом (ШИМ) или внешним постоянным напряжением (рис. 14).

Большинство моделей работает в режиме ограничения выходного тока в диапазоне выходного напряжения 100.70% от но­минального. Кроме этого, есть модели, например, CLG-150B и HLG-240B, у которых предусмотрена подстройка порога огра­ничения выходного тока с помощью внешнего сопротивления, подключенного к дополнительным выводам. Драйверы серии LPC-xx являются стабилизаторами с фиксированным выходным током.

Все драйверы светодиодов, производимые компанией Mean Well, имеют необходимые сертификаты по электробезопасности и электромагнитной совместимости. Основные функции драйверов светодиодов компании Mean Well представлены в таблице 2, а основные электрические характеристики — в таблице 3.

* Варианты исполнения «A» и «С». Вариант исполнения «С» с входными и выходными клеммными колодками, не имеет класса защиты IP.

** Вариант исполнения «В».

*** Стабилизаторы тока.

Модели, выделенные желтым цветом, производятся с клеммными колодками для крепления проводов под винт. Остальные — с гибкими выводами.

Применение готовых драйверов светодиодов позволяет сократить расходы на разработку, производство и сертификацию. При производстве небольших серий такое решение очень часто обходится гораздо дешевле, чем производство собственных драйверов.

С помощью предложенных устройств можно решить большинство задач по электропитанию светодиодных систем освещения. Для получения более подробной информации обращайтесь в центральный или региональные офисы компании «ЭЛТЕХ».

Заказать образцы для оценки возможности применения драйверов светодиодов в вашей аппаратуре можно в любом из офисов компании «ЭЛТЕХ».