Circuiti driver LED ad alta potenza

LED ad alta potenza: il futuro dell'illuminazione!

ma ... come li usi? Dove li trovi?

I LED di potenza da 1 watt e 3 watt sono ora ampiamente disponibili nella gamma da $ 3 a $ 5, quindi ultimamente ho lavorato su un sacco di progetti che li usano. nel processo mi stava infastidendo che le uniche opzioni di cui qualcuno parla per guidare i LED sono: (1) un resistore o (2) un gizmo elettronico davvero costoso. ora che i LED costano $ 3, sembra sbagliato pagare $ 20 per il dispositivo per guidarli!

Quindi sono tornato al mio libro "Analog Circuits 101" e ho scoperto un paio di semplici circuiti per il pilotaggio dei LED di potenza che costavano solo $ 1 o $ 2.

Questo istruttore ti fornirà un colpo alla volta di tutti i diversi tipi di circuiti per alimentare grandi LED, di tutto, dalle resistenze ai commutatori di alimentazione, con alcuni consigli su tutti loro, e ovviamente fornirà molti dettagli sulla mia nuova semplice alimentazione Circuiti driver LED e quando / come usarli (e finora ho altri 3 strumenti che usano questi circuiti). Alcune di queste informazioni risultano piuttosto utili anche per i piccoli LED

ecco i miei altri istruttori LED di potenza, controlla quelli per altre note e idee

Questo articolo è offerto da MonkeyLectric e dalla luce per bici Monkey Light.

Passaggio 1: panoramica / parti

Esistono diversi metodi comuni per alimentare i LED. Perché tutto il clamore? Si riduce a questo:
1) I LED sono molto sensibili alla tensione utilizzata per alimentarli (ovvero, la corrente cambia molto con una piccola variazione di tensione)
2) La tensione richiesta cambia un po 'quando il LED viene immesso in aria calda o fredda, e anche in base al colore del LED e ai dettagli di produzione.

quindi ci sono molti modi comuni in cui i LED sono solitamente alimentati, e li supererò nei seguenti passaggi.


Parti

Questo progetto mostra diversi circuiti per il pilotaggio dei LED di potenza. per ciascuno dei circuiti ho notato nella fase pertinente le parti necessarie, inclusi i numeri di parte che è possibile trovare su www.digikey.com. al fine di evitare molti contenuti duplicati, questo progetto discute solo di circuiti specifici e dei loro pro e contro. per ulteriori informazioni sulle tecniche di assemblaggio e per scoprire i numeri di parte dei LED e dove reperirli (e altri argomenti), fare riferimento a uno dei miei altri progetti di LED di potenza.

Passaggio 2: Dati sulle prestazioni dei LED di alimentazione - Tabella di riferimento pratica

Di seguito sono riportati alcuni parametri di base dei LED Luxeon che verranno utilizzati per molti circuiti. Uso i dati di questa tabella in diversi progetti, quindi qui li sto mettendo tutti in un posto a cui posso fare facilmente riferimento.

Luxeon 1 e 3 senza corrente (punto di spegnimento):
bianco / blu / verde / ciano: caduta di 2, 4 V (= "Tensione diretta LED")
rosso / arancione / ambra: caduta di 1, 8 V.

Luxeon-1 con corrente 300mA:
bianco / blu / verde / ciano: caduta 3.3V (= "LED forward voltage")
rosso / arancione / giallo: caduta da 2, 7 V.

Luxeon-1 con corrente 800mA (oltre le specifiche):
tutti i colori: caduta da 3, 8 V.

Luxeon-3 con corrente 300mA:
bianco / blu / verde / ciano: caduta 3.3V
rosso / arancione / ambra: caduta di 2, 5 V.

Luxeon-3 con corrente 800mA:
bianco / blu / verde / ciano: caduta di 3, 8 V.
rosso / arancione / ambra: calo di 3, 0 V (nota: i miei test non sono d'accordo con il foglio delle specifiche)

Luxeon-3 con corrente 1200mA:
rosso / arancione / ambra: calo di 3, 3 V (nota: i miei test non sono d'accordo con il foglio delle specifiche)

I valori tipici per normali "piccoli" LED con 20mA sono:
rosso / arancione / giallo: caduta di 2, 0 V.
verde / ciano / blu / viola / bianco: caduta da 3, 5 V.

Passaggio 3: alimentazione diretta!

Perché non collegare semplicemente la batteria direttamente al LED? Sembra così semplice! Qual è il problema? Posso mai farlo?

Il problema è affidabilità, coerenza e robustezza. Come accennato, la corrente attraverso un LED è molto sensibile alle piccole variazioni della tensione attraverso il LED, nonché alla temperatura ambiente del LED e anche alle variazioni di fabbricazione del LED. Quindi, quando colleghi il tuo LED a una batteria, hai la minima idea di quanta corrente lo attraversi. "ma allora cosa, si è acceso, no?". ok sicuro. a seconda della batteria, potresti avere troppa corrente (il led si surriscalda e si brucia velocemente) o troppo poco (il led è fioco). l'altro problema è che anche se il led è giusto quando lo si collega per la prima volta, se lo si porta in un nuovo ambiente che è più caldo o più freddo, diventerà fioco o troppo luminoso e si brucerà, perché il led è molto a temperatura sensibile. le variazioni di fabbricazione possono anche causare variabilità.

Quindi forse hai letto tutto questo e stai pensando: "e allora!". in tal caso, arare in avanti e collegare direttamente alla batteria. per alcune applicazioni può essere la strada da percorrere.

- Riepilogo: utilizzalo solo per gli hack, non aspettarti che sia affidabile o coerente e prevedi di bruciare alcuni LED lungo la strada.

- Un famoso hack che mette a frutto questo metodo in modo straordinario è il LED Throwie.

Appunti:

- se stai usando una batteria, questo metodo funzionerà meglio usando * piccole * batterie, perché una piccola batteria si comporta come se avesse una resistenza interna. questo è uno dei motivi per cui il LED Throwie funziona così bene.

- se in realtà vuoi farlo con un LED di alimentazione anziché un LED da 3 cent, scegli la tensione della batteria in modo che il LED non sia a piena potenza. questa è l'altra ragione per cui il LED Throwie funziona così bene.

Step 4: The Humble Resistor

Questo è di gran lunga il metodo più utilizzato per alimentare i LED. Basta collegare un resistore in serie con i LED.

professionisti:
- questo è il metodo più semplice che funziona in modo affidabile
- ha solo una parte
- costa centesimi (in realtà, meno di un centesimo in quantità)

contro:
- non molto efficiente. è necessario compensare la potenza sprecata con una luminosità del LED coerente e affidabile. se si spreca meno energia nel resistore, si ottengono prestazioni LED meno coerenti.
- deve cambiare la resistenza per cambiare la luminosità del LED
- se si modifica significativamente l'alimentazione o la tensione della batteria, è necessario cambiare nuovamente la resistenza.



Come farlo:

Esistono già molte fantastiche pagine Web che spiegano questo metodo. In genere vuoi capire:
- quale valore di resistenza utilizzare
- come collegare i tuoi led in serie o in parallelo

Ci sono due buoni "calcolatori a LED" che ho scoperto che ti permetteranno solo di inserire le specifiche sui tuoi LED e sul tuo alimentatore, e progetteranno per te la serie completa / circuito parallelo e resistori!

//led.linear1.org/led.wiz
//metku.net/index.html?sect=view&n=1&path=mods/ledcalc/index_eng

Quando si utilizzano questi calcolatori Web, utilizzare il diagramma di riferimento pratico dei dati del LED di alimentazione per i numeri di corrente e tensione richiesti dalla calcolatrice.



se stai usando il metodo del resistore con i LED di potenza, vorrai rapidamente ottenere molti resistori di potenza economici! eccone alcuni economici di digikey: "Yageo SQP500JB" sono una serie di resistori da 5 watt.

Step 5: $ regolatori delle streghe

I regolatori di commutazione, noti anche come convertitori "DC-to-DC", "buck" o "boost", sono il modo elegante per alimentare un LED. fanno tutto, ma sono costosi. che cosa "fanno" esattamente? il regolatore di commutazione può ridurre ("buck") o aumentare ("boost") la tensione di ingresso dell'alimentatore alla tensione esatta necessaria per alimentare i LED. a differenza di una resistenza, controlla costantemente la corrente del LED e si adatta per mantenerla costante. Fa tutto questo con un'efficienza energetica dell'80-95%, non importa quanto il step-down o il step-up siano.

Professionisti:
- prestazioni costanti dei LED per una vasta gamma di LED e alimentatori
- alta efficienza, in genere 80-90% per convertitori boost e 90-95% per convertitori buck
- può alimentare i LED da entrambe le alimentazioni a tensione inferiore o superiore (step-up o step-down)
- alcune unità possono regolare la luminosità del LED
- unità confezionate progettate per power-LED sono disponibili e facili da usare

Contro:
- complesso e costoso: in genere circa $ 20 per un'unità imballata.
- realizzarlo da te richiede diverse parti e abilità di ingegneria elettrica.



Un dispositivo standard progettato appositamente per i power-led è Buckpuck di LED Dynamics. Ho usato uno di questi nel mio progetto di proiettori a led e ne sono rimasto abbastanza soddisfatto. questi dispositivi sono disponibili nella maggior parte dei negozi Web a LED.

Step 6: The New Stuff !! Fonte di corrente costante n. 1

arriviamo alle nuove cose!

La prima serie di circuiti sono tutte piccole variazioni su una sorgente di corrente costante super semplice.

Professionisti:
- prestazioni costanti dei LED con qualsiasi alimentatore e LED
- costa circa $ 1
- solo 4 parti semplici da collegare
- l'efficienza può superare il 90% (con LED e selezione dell'alimentazione corretti)
- può gestire un sacco di potenza, 20 Amp o più nessun problema.
- "dropout" basso: la tensione di ingresso può essere superiore di appena 0, 6 volt rispetto alla tensione di uscita.
- campo di funzionamento super ampio: tra 3 V e 60 V di ingresso

Contro:
- deve cambiare una resistenza per cambiare la luminosità del LED
- se mal configurato, può sprecare tutta la potenza del metodo di resistenza
- devi costruirlo da solo (oh aspetta, dovrebbe essere un 'pro').
- il limite di corrente cambia un po 'con la temperatura ambiente (può anche essere un' pro ').

Per riassumere: questo circuito funziona esattamente come il regolatore di commutazione step-down, l'unica differenza è che non garantisce il 90% di efficienza. Tra i lati positivi, costa solo $ 1.


Prima la versione più semplice:

"Sorgente di corrente costante a basso costo n. 1"

Questo circuito è presente nel mio semplice progetto di illuminazione a led.

Come funziona?

- Q2 (un NFET di potenza) viene utilizzato come resistenza variabile. Q2 inizia attivato da R1.

- Q1 (un piccolo NPN) viene utilizzato come interruttore di rilevamento di sovracorrente e R3 è il "resistore di rilevamento" o "set resistore" che attiva Q1 quando scorre troppa corrente.

- Il flusso di corrente principale passa attraverso i LED, attraverso Q2 e attraverso R3. Quando troppa corrente scorre attraverso R3, Q1 inizierà ad accendersi, il che inizierà a spegnere Q2. La disattivazione di Q2 riduce la corrente attraverso i LED e R3. Quindi abbiamo creato un "circuito di retroazione", che controlla continuamente la corrente del LED e la mantiene sempre esattamente al set point. i transistor sono intelligenti, eh!

- R1 ha un'alta resistenza, quindi quando Q1 inizia ad accendersi, supera facilmente R1.

- Il risultato è che Q2 agisce come una resistenza e la sua resistenza è sempre perfettamente impostata per mantenere corretta la corrente del LED. Qualsiasi potenza in eccesso viene bruciata nel secondo trimestre. Pertanto, per la massima efficienza, vogliamo configurare la nostra stringa LED in modo che sia vicina alla tensione di alimentazione. Funzionerà bene se non lo facciamo, sprecheremo solo energia. questo è davvero l'unico aspetto negativo di questo circuito rispetto a un regolatore di commutazione step-down!


impostazione della corrente!

il valore di R3 determina la corrente impostata.

calcoli:
- La corrente del LED è approssimativamente uguale a: 0, 5 / R3
- Potenza R3: la potenza dissipata dal resistore è approssimativamente: 0, 25 / R3. scegliere un valore del resistore almeno 2 volte la potenza calcolata in modo che il resistore non si surriscaldi.

quindi per corrente LED 700mA:
R3 = 0, 5 / 0, 7 = 0, 71 ohm. la resistenza standard più vicina è 0, 75 ohm.
Potenza R3 = 0, 25 / 0, 71 = 0, 35 watt. avremo bisogno di almeno un resistore da 1/2 watt.


Parti utilizzate:

R1: resistore piccolo (1/4 watt) circa 100k-ohm (come: serie Yageo CFR-25JB)
R3: resistore impostato corrente grande (1 watt +). (una buona scelta da 2 watt è: serie Panasonic ERX-2SJR)
Q2: FET di livello logico N-channel grande (pacchetto TO-220) (come: Fairchild FQP50N06L)
Q1: transistor NPN piccolo (pacchetto TO-92) (come: Fairchild 2N5088BU)


Limiti massimi:

l'unico vero limite all'attuale circuito sorgente è imposto da NFET Q2. Q2 limita il circuito in due modi:

1) dissipazione di potenza. Q2 agisce come un resistore variabile, riducendo la tensione dell'alimentatore per soddisfare le esigenze dei LED. quindi Q2 avrà bisogno di un dissipatore di calore se c'è una corrente LED elevata o se la tensione di alimentazione è molto più alta della tensione della stringa LED. (Potenza Q2 = caduta di volt * Corrente LED). Q2 può gestire solo 2/3 watt prima di aver bisogno di un qualche tipo di dissipatore di calore. con un grande dissipatore di calore, questo circuito può gestire MOLTA potenza e corrente - probabilmente 50 watt e 20 amp con questo preciso transistor, ma puoi semplicemente mettere più transistor in parallelo per più potenza.

2) tensione. il pin "G" su Q2 è valutato solo per 20 V e con questo circuito più semplice che limiterà la tensione di ingresso a 20 V (diciamo che 18 V è sicuro). se si utilizza un altro NFET, assicurarsi di controllare la classificazione "Vgs".


sensibilità termica:

l'attuale set-point è in qualche modo sensibile alla temperatura. questo perché Q1 è il trigger e Q1 è termicamente sensibile. la parte che ho specificato sopra è una delle NPN meno sensibili dal punto di vista termico che ho trovato. anche così, aspettatevi forse una riduzione del 30% del set point attuale mentre passate da -20 ° C a + 100 ° C. potrebbe essere l'effetto desiderato, potrebbe salvare il Q2 o i LED dal surriscaldamento.

Step 7: Tweaks sorgente di corrente costante: # 2 e # 3

queste lievi modifiche sul circuito n. 1 riguardano la limitazione di tensione del primo circuito. dobbiamo mantenere NFET Gate (G pin) al di sotto di 20 V se vogliamo utilizzare una fonte di alimentazione superiore a 20 V. si scopre che vogliamo farlo anche per poter interfacciare questo circuito con un microcontrollore o un computer.

nel circuito n. 2, ho aggiunto R2, mentre nel n. 3 ho sostituito R2 con Z1, un diodo zener.

il circuito n. 3 è il migliore, ma ho incluso il n. 2 poiché è un trucco rapido se non si ha il giusto valore del diodo zener.

vogliamo impostare la tensione del pin G su circa 5 volt - utilizzare un diodo zener da 4, 7 o 5, 1 volt (come: 1N4732A o 1N4733A) - qualsiasi inferiore e Q2 non sarà in grado di accendersi completamente, qualsiasi più alto e non funzionerà con la maggior parte dei microcontrollori. se la tensione di ingresso è inferiore a 10 V, commutare R1 per una resistenza da 22k-ohm, il diodo zener non funziona se non vi sono 10uA che lo attraversano.

dopo questa modifica, il circuito gestirà 60 V con le parti elencate e, se necessario, è possibile trovare facilmente un Q2 a tensione più elevata.

Step 8: Un piccolo micro fa la differenza

E adesso? connettersi a un microcontrollore, PWM o un computer!

ora hai una luce LED ad alta potenza controllata completamente digitale.

i pin di uscita del microcontrollore sono generalmente classificati solo a 5, 5 V, ecco perché il diodo zener è importante.

se il microcontrollore è 3, 3 V o inferiore, è necessario utilizzare il circuito n. 4 e impostare il pin di uscita del microcontrollore su "open collector", che consente al micro di abbassare il pin, ma consente alla resistenza R1 di tirare fino a 5 V che è necessario per attivare completamente Q2.

se il tuo micro è 5V, puoi usare il circuito 5 più semplice, eliminando Z1, e impostare il pin di uscita del micro in modalità pull-up / pull-down normale: il micro 5V può accendere Q2 da solo .

ora che hai un PWM o un micro connesso, come si fa a controllare la luce digitale? per cambiare la luminosità della tua luce, la devi "PWM": la accendi e spegni rapidamente (200 Hz è una buona velocità) e cambi il rapporto tra tempo di accensione e tempo di spegnimento.

questo può essere fatto con poche righe di codice in un microcontrollore. per farlo usando solo un chip '555', prova questo circuito. per usare quel circuito sbarazzarsi di M1, D3 e R2, e il loro Q1 è il nostro Q2.

Passaggio 9: un altro metodo di attenuazione

ok, quindi forse non vuoi usare un microcontrollore? ecco un'altra semplice modifica sul "circuito # 1"

il modo più semplice per attenuare i LED è cambiare il setpoint corrente. quindi cambieremo R3!

mostrato sotto, ho aggiunto R4 e un interruttore in parallelo con R3. quindi con l'interruttore aperto, la corrente è impostata da R3, con l'interruttore chiuso, la corrente è impostata dal nuovo valore di R3 in parallelo con R4 - più corrente. quindi ora abbiamo "alta potenza" e "bassa potenza" - perfetto per una torcia.

ti piacerebbe mettere un quadrante a resistenza variabile per R3? sfortunatamente, non li rendono in un valore di resistenza così basso, quindi abbiamo bisogno di qualcosa di un po 'più complicato per farlo.

(vedi circuito n. 1 per come scegliere i valori dei componenti)

Passaggio 10: il driver analogico regolabile

Questo circuito ti consente di avere una luminosità regolabile, ma senza usare un microcontrollore. È completamente analogico! costa un po 'di più - circa $ 2 o $ 2, 50 in totale - spero che non ti dispiaccia.

La differenza principale è che l'NFET viene sostituito con un regolatore di tensione. il regolatore di tensione riduce la tensione di ingresso come ha fatto la NFET, ma è progettato in modo tale che la sua tensione di uscita sia impostata dal rapporto tra due resistori (R2 + R4 e R1).

Il circuito di limitazione della corrente funziona come prima, in questo caso riduce la resistenza su R2, riducendo l'uscita del regolatore di tensione.

Questo circuito consente di impostare la tensione sui LED su qualsiasi valore utilizzando un quadrante o un cursore, ma limita anche la corrente del LED come in precedenza, quindi non è possibile ruotare il quadrante oltre il punto sicuro.

Ho usato questo circuito nel mio progetto di illuminazione RGB Spot / Color Controlled Room / Spot.

consultare il progetto sopra per i numeri di parte e la selezione del valore della resistenza.

questo circuito può funzionare con una tensione di ingresso da 5 V a 28 V e fino a 5 A di corrente (con un dissipatore di calore sul regolatore)

Passaggio 11: una fonte di corrente * ancora più semplice *

ok, quindi si scopre che esiste un modo ancora più semplice per creare una sorgente a corrente costante. il motivo per cui non l'ho messo per primo è che ha anche almeno uno svantaggio significativo.

Questo non utilizza un transistor NFET o NPN, ha solo un singolo regolatore di tensione.

Rispetto alla precedente "semplice sorgente di corrente" che utilizza due transistor, questo circuito ha:

- ancora meno parti.
- "dropout" molto più alto di 2, 4 V, che ridurrà significativamente l'efficienza quando si alimenta solo 1 LED. se stai alimentando una stringa di 5 LED, forse non è un grosso problema.
- nessuna variazione nel setpoint corrente quando la temperatura cambia
- meno capacità di corrente (5 ampere - ancora abbastanza per molti LED)


come usarlo:

il resistore R3 imposta la corrente. la formula è: corrente LED in ampere = 1, 25 / R3

quindi per una corrente di 550mA, impostare R3 su 2, 2 ohm
in genere è necessario un resistore di potenza, potenza R3 in watt = 1, 56 / R3

questo circuito ha anche lo svantaggio che l'unico modo per usarlo con un microcontrollore o PWM è accendere e spegnere tutto con un FET di potenza.

e l'unico modo per cambiare la luminosità del LED è cambiare R3, quindi fare riferimento allo schema precedente per "circuito # 5" che mostra l'aggiunta di un interruttore di accensione basso / alto.

pinout del regolatore:
ADJ = pin 1
OUT = pin 2
IN = pin 3


parti:
regolatore: LD1585CV o LM1084IT-ADJ
condensatore: condensatore da 10u a 100u, 6, 3 volt o superiore (come: Panasonic ECA-1VHG470)
resistenza: un minimo di resistenza da 2 watt (come: serie Panasonic ERX-2J)

puoi costruirlo praticamente con qualsiasi regolatore di tensione lineare, i due elencati hanno buone prestazioni generali e prezzo. il classico "LM317" è economico, ma il dropout è ancora più alto - 3, 5 volt totali in questa modalità. ora ci sono molti regolatori a montaggio superficiale con interruttori ultra bassi per un uso a bassa corrente, se è necessario alimentare 1 LED da una batteria, vale la pena esaminarli.

Step 12: Haha! C'è un modo ancora più semplice!

Sono imbarazzato nel dire che non ho pensato a questo metodo da solo, l'ho imparato quando ho smontato una torcia che aveva un LED ad alta luminosità all'interno.

--------------
Inserire una resistenza PTC (nota anche come "fusibile ripristinabile PTC") in serie con il LED. Wow. non è più facile di così.
--------------

ok. Sebbene semplice, questo metodo presenta alcuni inconvenienti:

- La tensione di pilotaggio può essere solo leggermente superiore alla tensione "on" del LED. Questo perché i fusibili PTC non sono progettati per eliminare molto calore, quindi è necessario mantenere la tensione caduta sul PTC piuttosto bassa. puoi incollare il tuo ptc su una piastra di metallo per aiutare un po '.

- Non sarai in grado di guidare il tuo LED alla sua massima potenza. I fusibili PTC non hanno una corrente di "intervento" molto accurata. In genere variano di un fattore 2 dal punto di intervento nominale. Quindi, se hai un LED che ha bisogno di 500 mA e ottieni un PTC valutato a 500 mA, finirai con un valore compreso tra 500 mA e 1000 mA, non sicuro per il LED. L'unica scelta sicura di PTC è un po 'sottovalutata. Ottieni il PTC da 250 mA, quindi il tuo caso peggiore è 500 mA che il LED può gestire.

-----------------

Esempio:
Per un singolo LED valutato circa 3, 4 V e 500 mA. Collegare in serie con un PTC valutato circa 250 mA. La tensione di pilotaggio dovrebbe essere di circa 4, 0 V.

Articoli Correlati