Стабилизатор для мощного светодиода

Стабилизатор тока на LM317 для светодиодов

Рассмотрим самый простой вариант изготовления светодиодного драйвера своими руками с минимальными затратами времени. Для расчёта стабилизатора тока на LM317 для светодиодов используем калькулятор, которому необходимо указать требуемую силу тока для LED диодов. Предварительно составьте схему включения светодиодов, учитывая максимальную мощность микросхемы и блока питания для светодиодов. Заранее поищите систему охлаждения для всей конструкции.

• 1. Схема подключения
• 2. Пример расчётов и сборки
• 3. Основные электрические характеристики
• 4. Импульсные драйверы

Калькулятор

Схемотехническое решение

Развитие современной микроэлектроники позволяет создавать устройства с требуемыми параметрами с использованием минимума элементов. Довольно хорошо зарекомендовали себя устройства токовых генераторов на интегральной микросхеме LM317. Вообще данная микросхема представляет собой интегральный стабилизатор напряжения, но некоторые изменения в стандартной схеме включения, кстати, оговоренные в технической документации, позволяют использовать данную ИМС в качестве источника тока, в том числе для питания светодиодов.

Параметры микросхемы следующие:

• Напряжение – 1.2-37В;
• Ток через ИМС – до 2А в случае использования LM317T.

Различными производителями выпускается множество разновидностей данного стабилизатора, но разница в стоимости и габаритах для минимальной и максимальной мощностей ничтожна, поэтому есть смысл использовать максимально доступную мощность, запас которой никогда не помешает.

Важно! При использовании мощного стабилизатора тока для светодиодов при нагрузке, близкой к максимальной, обязательно использование радиатора, который позволит отбирать выделяемое интегральной микросхемой тепло.

Итак, самый простой, но надежно работающий стабилизатор тока на микросхеме lm317 для светодиодов представлен ниже.

В данной схеме микросхема имеет лишь один резистор во внешней обвязке. Именно при помощи его задается значение выходного параметра. Делается это по формуле:

Данный вариант стабилизатора работает в диапазоне значений от 0.01 до 1.5А. Верхний предел ограничивается мощностью микросхемы. Мощность, которая рассеивается на резисторе, может составлять несколько ватт при максимальном токе. Более точно она определяется из выражения:

Важно! При значениях более 0.3А применение радиатора охлаждения для микросхемы обязательно!

Добавив в схему всего два элемента: мощный транзистор и резистор, можно поднять выходной ток до 10А.

В приведенной схеме применяется мощный составной транзистор КТ825 с любой буквой. Резистор R2 выполняет ту же функцию, что и в предыдущей схеме, и рассчитывается точно так же. Поскольку по нему протекает высокий ток, а значение сопротивления малое, то следует использовать проволочный. Резистор R1 задает смещение на базе транзистора и должен иметь рассеиваемую мощность 0.25-0.5Вт.

В обеих схемах напряжение питания источника (входное напряжение) может составлять от 3 до 38В. Для поддержания необходимого тока во всем диапазоне нагрузок напряжение питания следует обеспечивать приближенное к максимальному значению.

Пример. Пусть задано 20мА. Тогда при одном подключенном диоде напряжение на выходе будет составлять около 2-3В (в зависимости от типа светодиода). Если включить два последовательных светодиода, то для обеспечения необходимого тока 20мА схема выдаст уже ровно в два раза большее напряжение. Аналогичные подсчеты можно произвести для любого количества элементов.

Необходимое входное напряжение можно получить при помощи понижающего трансформатора с мостовым выпрямителем и конденсатором фильтра.

Диоды должны быть рассчитаны на необходимый ток, а емкость конденсатора нужно брать порядка нескольких тысяч микрофарад.

Важно! Рабочее напряжение конденсатора должно превышать напряжение питания примерно в полтора раза, то есть в данном случае оно должно быть не менее 50В.

Автомобиль имеет напряжение бортовой сети не более 14В. Поскольку частота пульсаций здесь выше, чем в домашней сети, а амплитуда невысока, то емкость конденсатора может быть меньше. Также и рабочее напряжение может составлять 25В. Разумеется, выпрямительный мост здесь не нужен.

Как видно, сделать стабилизатор тока для светодиодов своими руками – задача несложная. Важны аккуратность, внимательность и минимальные навыки работы с электроникой.

Обзор известных моделей

Большинство микросхем для питания светодиодов выполнены в виде импульсных преобразователей напряжения. Преобразователи, в которых роль накопителя электрической энергии выполняет катушка индуктивности (дроссель) называются бустерами. В бустерах преобразование напряжения происходит за счет явления самоиндукции. Одна из типичных схем бустера приведена на рисунке.

Схема стабилизатора тока работает следующим образом. Транзисторный ключ находящийся внутри микросхемы периодически замыкает дроссель на общий провод. В момент размыкания ключа в дросселе возникает ЭДС самоиндукции, которая выпрямляется диодом. Характерно то, что ЭДС самоиндукции может значительно превышать напряжение источника питания.

Как видно из схемы для изготовления бустера на TPS61160 производства фирмы Texas Instruments требуется совсем немного компонентов. Главными навесными деталями являются дроссель L1, диод Шоттки D1, выпрямляющий импульсное напряжение на выходе преобразователя, и R_set.

Резистор выполняет две функции. Во-первых, резистор ограничивает ток, протекающий через светодиоды, а во-вторых, резистор служит элементом обратной связи (своего рода датчиком). С него снимается измерительное напряжение, и внутренние схемы чипа стабилизируют ток, протекающий через LED, на заданном уровне. Изменяя номинал резистора можно изменять ток светодиодов.

Преобразователь на TPS61160 работает на частоте 1.2 МГц, максимальный выходной ток может составлять 1.2 А. С помощью микросхемы можно питать до десяти светодиодов включенных последовательно. Яркость светодиодов можно изменять путем подачи на вход «контроль яркости» сигнала ШИМ переменной скважности. КПД приведенной схемы составляет около 80%.

Нужно заметить, что бустеры обычно используются, когда напряжение на светодиодах выше напряжения источника питания. В случаях, когда требуется понизить напряжение, чаще применяют линейные стабилизаторы. Целую линейку таких стабилизаторов MAX16xxx предлагает фирма MAXIM. Типовая схема включения и внутренняя структура подобных микросхем представлена на рисунке.

Как видно из структурной схемы, стабилизация тока светодиодов осуществляется Р-канальным полевым транзистором. Напряжение ошибки снимается с резистора R_sens и подается на схему управления полевиком. Так как полевой транзистор работает в линейном режиме, КПД подобных схем заметно ниже, чем у схем импульсных преобразователей.

Микросхемы линейки MAX16xxx часто применяются в автомобильных приложениях. Максимальное входное напряжение чипов составляет 40 В, выходной ток – 350 мА. Они, как и импульсные стабилизаторы, допускают ШИМ-диммирование.

Как сделать стабилизатор тока для светодиодов самостоятельно

Изготовление стабилизатора для светодиодов своими руками осуществляется несколькими способами. Новичку целесообразно работать с простыми схемами.

На основе драйверов

Понадобится выбрать микросхему, которую трудно выжечь – LM317. Она будет выполнять роль стабилизатора. Второй элемент – переменный резистор с сопротивлением в 0,5 кОм с тремя выводами и ручкой регулировки.

Сборка осуществляется по следующему алгоритму:

1. Припаять проводники к среднему и крайнему выводу резистора.
2. Перевести мультиметр в режим сопротивления.
3. Замерить параметры резистора – они должны равняться 500 Ом.
4. Проверить соединения на целостность и собрать цепь.

На выходе получится модуль с мощностью 1,5 А. Для увеличения тока до 10 А можно добавить полевик.

Стабилизатор для автомобильной подсветки

Для работы потребуется линейный прибор в виде микросхемы L7812, две клеммы, конденсатор 100n (1-2 шт.), текстолитовый материал и трубка с термоусадкой. Изготовление производится пошагово:

1. Выбор схемы под L7805 из даташита.
2. Вырезать из текстолита нужный по размеру кусок.
3. Наметить дорожки, делая насечки отверткой.
4. Припаять элементы так, чтобы вход был слева, а выход – справа.
5. Сделать корпус из термотрубки.

Стабилизирующее устройство выдерживает до 1,5 А нагрузки, монтируется на радиатор.

В качестве радиатора задействуется кузов машины за счет соединения центрального вывода корпуса с минусом.

• Автор: Ерёмин Антон
• Добавить комментарий

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.

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.

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.

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.

О деталях.

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

В простейшем варианте применяют ограничитель сил тока из резистора, установленного последовательно в цепь со светодиодом. Стандартные приборы подключают к источникам 5V (12V). Увеличивая напряжение, можно улучшить точность, однако при этом снизится КПД.

Максимальные значения электрических параметров источника должны быть на 10% больше рабочих значений светодиода. Падение напряжения указано в сопроводительной документации. Для расчета резистора (R) применяют следующую формулу:

где:

• Uп – напряжение источника питания;
• Uc – падение на светодиоде;
• Iпот – ток потребления.

Пример:

• Uп = 5 V;
• Uc = 2,5 V;
• Iпот = 0,25 А;
• R = (5-2,5)/0,3 ≈ 8,33 Ом;
• ближайший номинал – 8,45 Ом;
• мощность резистора = 0,3*0,3*8,45 ≈ 0,75 Вт.

К сведению. Последняя строка расчета наглядно демонстрирует энергетические потери. Нагревающийся резистор будет повышать температуру окружающей среды.

Усовершенствованные схемы собирают из следующих компонентов:

• трансформатором изменяют нужным образом амплитуду сигнала;
• для выпрямления применяют обычный мостик из диодов;
• конденсаторами сглаживают пульсации;
• резисторами ограничивают выходные токи.

Транзисторный стабилизатор напряжения и тока отличается экономичностью. Электрическое сопротивление во входной цепи устанавливают в качестве датчика. Этот компонент дополняет стабилитрон. Изменение напряжения на эмиттере позволяет регулировать выходные параметры автоматически без контроля и вмешательства со стороны пользователя.

Аналогичные функции вместо стабилитрона способен выполнить эмиттерный переход биполярного транзистора при соответствующем включении в электрическую схему.

Полевой транзистор применяют для подключения цепочек из нескольких светодиодов, других мощных нагрузок

Вместо набора из нескольких радиодеталей удобнее пользоваться специализированными микросхемами. Такие изделия обеспечивают высокую точность поддержания рабочих параметров выходного сигнала. Как в примере со стабилитроном, в определенной цепи устанавливают резистор для оперативного детектирования изменения силы тока.

Отдельно следует отметить импульсные схемы стабилизаторов. Такие изделия создают на основе быстродействующих электронных ключей. Главной особенностью является возможность оперировать с относительно высокими значениями выходных напряжений.

Повышающий и понижающий стабилизаторы

Повышающий стабилизатор преобразует низкое входное напряжение в более высокое на выходе. Этот вариант применяется для светодиодов с блоком питания на малое количество вольт (к примеру, в автомобиле может потребоваться повысить 12 вольт для светодиодов до 19 В или 45 В). Понижающие стабилизаторы, наоборот, снижают высокое напряжение до нужного уровня. Все модули подразделяются на универсальные и специализированные. Универсальные обычно оборудуются двумя переменными сопротивлениями — для получения нужных параметров тока и напряжения на выходе. У специализированных устройств значения на выходе чаще всего фиксированы.

В качестве стабилизатора для светодиодов используется специальный стабилизатор тока, схемы которого можно в большом количестве найти в интернете. Популярной моделью здесь является Lm2596. Светодиоды часто подключаются к автомобильной сети или аккумулятору через резистор. При этом напряжение может колебаться импульсами до 30 вольт, из-за чего низкокачественные светодиоды могут выходить из строя (мигающие ходовые огни с частично неработающими светодиодами). Стабилизация тока в данном случае может осуществляться с помощью миниатюрного преобразователя.

Назначение стабилизатора

Основной функцией стабилизатора является выравнивание тока, независимо от перепадов напряжения в электрической сети. Всего существует два типа стабилизирующих устройств – линейные и импульсные. В первом случае осуществляется регулировка всех выходных параметров путем распределения мощности между нагрузкой и собственным сопротивлением.

Второй вариант значительно эффективнее, поскольку в этом случае на светодиоды поступает лишь необходимое количество мощности. Действие таких стабилизаторов основано на принципе широтно-импульсной модуляции.

У импульсных стабилизаторов более высокий коэффициент полезного действия, составляющий не менее 90%. Однако у них довольно сложная схема и соответственно высокая стоимость по сравнению с приборами линейного типа. Следует отметить, что использование стабилизаторов LM317 допустимо только для линейных схем. Они не могут включаться в цепи с большими значениями токов. Именно поэтому данные устройства наилучшим образом подходят для совместного использования со светодиодами.

Необходимость использования стабилизаторов объясняется особенностями параметров светодиодов. Они отличаются нелинейной вольтамперной характеристикой, когда изменение напряжения на светодиоде приводит к непропорциональному изменению тока. С увеличением напряжения, возрастание тока в самом начале происходит очень медленно, поэтому свечения не наблюдается. Далее, когда напряжение достигает порогового значения, начинается излучение света с одновременным быстрым возрастанием тока. Если напряжение продолжает увеличиваться, в этом случае происходит еще большее возрастание тока, что приводит к сгоранию светодиода.

Характеристики светодиодов отражают значение порогового напряжения в виде прямого напряжения при номинальном токе. Показатель номинального тока для большинства светодиодов малой мощности составляет 20 мА. Мощные светодиоды требуют более высокого номинального тока, достигающего 350 мА и выше. Они выделяют большое количество тепла и устанавливаются на специальные теплоотводы.

Для того чтобы обеспечить нормальную работу светодиодов, питание к ним должно подключаться через стабилизатор тока. Это связано с разбросом порогового напряжения. То есть, различные типы светодиодов отличаются разным прямым напряжением. Даже у однотипных ламп может быть не одинаковое прямое напряжение, причем не только его минимальное, но и максимальное значение.

Таким образом, если подключить параллельно два светодиода к одному и тому же источнику, то они будут пропускать через себя совершенно разный ток. Различие токов приводит к преждевременному выходу их из строя или мгновенному перегоранию. Чтобы избежать подобных ситуаций, светодиоды рекомендуется включать совместно со стабилизирующими устройствами, предназначенные для выравнивания тока и доведения его до определенной, заданной величины.

См. также

• ШИМ-контроллер
• Светодиод
• токоограничивающий резистор

На этом все! Теперь вы знаете все про стабилизатор тока, Помните, что это теперь будет проще использовать на практике. Надеюсь, что теперь ты понял что такое стабилизатор тока,светодиодный драйвер и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры