Повышающий драйвер светодиода с плавной регулировкой яркости

Картинка с сайта: habr.com

Привет, Хабр! Вы до сих пор не знаете, как работает DC-DC-конвертер, как его собрать или переделать имеющийся под свои нужды? Тогда вас заинтересует эта статья.

Рассматривать принцип работы повышающего (step-up, boost) преобразователя, а самое главное, обратную связь по току и напряжению, будем на примере самодельного светодиодного фонарика.

Картинка с сайта: habr.com

Импульсные преобразователи мощности (или напряжения, как исторически сложилось их название), давно стали неотъемлемой частью электронной техники. Дело в том, что химические источники тока (аккумуляторы, батарейки) дают низкое напряжение, а многим приборам, прежде всего, на вакуумных и газоразрядных лампах, требовалось высокое.

За основу для сегодняшней самоделки возьму китайский набор для сборки повышающего преобразователя c 5 до 12 вольт. Модуль носит название ICSK034A и разработан компанией icstation.com. Покупала на площадке Алиэкспресс по этой ссылке.

Картинка с сайта: habr.com

Это не просто «вор джоулей» (joule thief), а стабилизированный преобразователь, поддерживающий на выходе заданное напряжение. Но сегодня я хочу сделать не источник питания 12 В, а светодиодный фонарик с плавной регулировкой яркости. То есть управляемый повышающий стабилизатор тока для светодиода.

Итак, сегодня мы будем изучать обратную связь импульсных преобразователей мощности. Благодаря чему сможем построить конвертер с теми свойствами, которые нам нужны. Или переделать имеющийся преобразователь в такой, как нам нужно. То есть добавить или изменить обратную связь по току или напряжению. Или сделать существующую обратную связь управляемой, т. е. добавить возможность перенастройки.

Главная часть повышающего преобразователя — это катушка. По-английски катушки и конденсаторы называют реакторами, потому что в них происходит реакция, то есть противодействие.

Картинка с сайта: habr.com

Конденсатор противодействует изменению напряжения. Чтобы изменить напряжение между обкладками конденсатора, следует сообщить ему электрический заряд. Заряд, помноженный на напряжение, является энергией. То есть конденсатор накапливает и отдаёт электрическую энергию.

Катушка индуктивности также противодействует изменению, но не напряжения, а тока.

▍ Принцип работы преобразователя

Повышающий преобразователь напряжения работает таким образом. Потребитель подключён к источнику питания через катушку и диод. Если ничего не происходит, то напряжение на потребителе равняется входному минус падение на диоде и активном сопротивлении катушки.

Но после катушки имеется выключатель, замыкающий цепь, состоящую из источника питания и катушки. В настоящем преобразователе это транзистор, который может быть полевым или биполярным. Также он бывает отдельным или встроенным в микросхему.

Когда этот выключатель замыкает цепь, ток в катушке растёт. Активное сопротивление катушки обычно невелико, поэтому включать следует ненадолго, чтобы ничего не сжечь.

Когда выключатель разрывает цепь, катушка пытается удерживать ток неизменным. Теперь для тока нет пути через выключатель, поэтому он пойдёт через диод к потребителю.

Картинка с сайта: habr.com

В результате размыкания выключателя ток снизился. В момент уменьшения тока в катушке возникает электродвижущая сила (ЭДС), то есть напряжение. Она имеет такую полярность, чтобы вызвать ток в том же направлении, куда он шёл, когда выключатель был включён.

То есть это дополнительное напряжение прибавляется к ЭДС источника. Поэтому потребитель получает большее напряжение, чем даёт первоначальный источник. Что и даёт основания называть преобразователь повышающим.

Картинка с сайта: habr.com

Параллельный потребителю конденсатор сглаживает скачки напряжения. Когда катушка вырабатывает электродвижущую силу, он заряжается до повышенного напряжения. Когда катушка заряжается током через выключатель, конденсатор отдаёт накопленный заряд потребителю.

Эти два реактора или интегратора, катушка и конденсатор, являются неотъемлемыми участниками процесса повышающего преобразования и обязательными составляющими преобразователя.

Также обязательным является диод, мешающий конденсатору разряжаться через выключатель. Диод пропускает ток только в одну сторону. Если потребителем является аккумулятор, диод предотвращает его разрядку через выключатель.

▍ Свойства катушки индуктивности

Напряжение на выходе преобразователя зависит от разряжающего конденсатор потребляемого тока и заряжающей его энергии, отдаваемой катушкой в каждом рабочем цикле. Энергия магнитного поля катушки с током равна индуктивности катушки, помноженной на квадрат силы тока в ней.

Со своей стороны, сила тока через катушку зависит от напряжения первоначального источника и времени, в течение которого она заряжалась. Потому что при накоплении магнитной энергии ток в катушке растёт постепенно.

Картинка с сайта: habr.com

Мы можем наблюдать, как медленно растёт ток (в динамике — на видео ниже). Осциллограф показывает напряжение на последовательном резисторе, которое по закону Ома зависит от тока.

Резистор, преобразующий ток в напряжение с целью измерения тока или обратной связи по току, называется шунтом.

Видим красивый экспоненциальный фрагмент кривой намагничивания, потому что катушка заряжается током как конденсатор напряжением. Когда разрываем цепь, наблюдаем вспышку неоновой лампочки.

Картинка с сайта: habr.com

Для пробоя межэлектродного промежутка и установления тлеющего разряда ей нужно по крайней мере 50 вольт. Скорее даже 80. Напряжение батареи 3 вольта. Видим, как катушка повышает напряжение в десятки раз.

▍ Изучаем схему

Картинка с сайта: habr.com

Теперь рассмотрим схему преобразователя. Он построен на микросхеме MC34063. Конденсатор С3 определяет частоту колебаний. Ёмкость 100 пикофарад соответствует самой высокой частоте этой микросхемы, 100 килогерц. То есть сто тысяч включений и отключений в секунду. Наши электронные друзья умеют работать так быстро.

Картинка с сайта: habr.com

Резистор R2 определяет пиковый ток выходного транзистора, то есть нашего выключателя. Это шунт. Когда напряжение на нём достигает 300 милливольт, микросхема закрывает транзистор, чем прекращает дальнейший рост тока. 300 милливольт на сопротивлении 1 Ом будет при токе 300 миллиампер.

Сопротивление R1 ограничивает ток базы выходного транзистора. Это не шунт, потому что этот резистор не превращает ток в напряжение, которое чем-либо управляет, а просто ограничивает ток по закону Ома.

Картинка с сайта: habr.com

Маленький светодиод D2 выполняет две обязанности. Это индикатор работы прибора, а самое главное, нагрузка холостого хода.

Нагрузка холостого хода обязательна для любого преобразователя или стабилизатора, потому что они не могут работать, когда энергия не потребляется. Нечего преобразовывать, нечего стабилизировать.

Теперь самое интересное. Любой стабилизатор имеет вход обратной связи. Стабилизатор управляет движением чего-либо, например, электрического тока, так, чтобы напряжение обратной связи всегда равнялось определённой величине.

Линейный стабилизатор напряжения открывает выходной транзистор настолько, чтобы напряжение между выходом и ножкой обратной связи равнялось 5 вольтам, если это 7805, или 1.25 В в случае LM317.

Всё лишнее напряжение падает на транзисторе линейного стабилизатора. Этот транзистор подключён последовательно с потребителем. Поэтому ток через них один и тот же.

Картинка с сайта: habr.com

Пусть он равен, например, одному амперу. Напряжение питания 9 В, напряжение потребителя 5 В. То есть на транзисторе падает четыре вольта.

Мощность равна току, помноженному на напряжение. Поэтому общее потребление от источника питания составит 9 Вт. Но потребитель получит всего 5 Вт. Четыре ватта теряются на транзисторе стабилизатора. Они его нагревают.

Это пустая трата энергии, что особенно плохо в условиях автономного питания от аккумуляторов, генераторов или батарей. Ещё линейный стабилизатор нуждается в радиаторе для охлаждения. Он имеет объём, вес и цену. Потому нищие сталкеры и туристы не любят линейных стабилизаторов, и среди энтузиастов они одними из первых в стали глубоко исследовать DC-DC-конвертеры.

А некоторые перешли на тёмную сторону бестопливных генераторов, сверхъединичного КПД, красной ртути и рептилоидов.

Картинка с сайта: habr.com

В отличие от линейного, импульсный преобразователь полностью открывает и закрывает выходной транзистор. Когда транзистор полностью открыт, на нём падает небольшое напряжение, поэтому и тепла выделяется гораздо меньше. Ещё импульсный преобразователь умеет повышать напряжение, тогда как линейный только снижает.

Итак, вход обратной связи этой импульсной микросхемы – её пятая ножка. MC34063 управляет коэффициентом заполнения так, чтобы удерживать на ножке ОС напряжение 1.25 вольта.

Коэффициент заполнения — это соотношение промежутка времени, когда транзистор открыт, к общему периоду колебания.

Картинка с сайта: habr.com

На схеме к ножке обратной связи подключён делитель напряжения R3R4. Резистор R4 имеет сопротивление 1.2 килоома. Напряжение на нём почти равно 1.2 вольтам, поэтому ток будет равен одному миллиамперу.

Поэтому на резисторе R3 сопротивлением 10 кОм будет напряжение 10 В. 10 + 1.2 = 11.2, то есть почти 12 В на выходе преобразователя. Это обратная связь по напряжению.

Чтобы получить обратную связь по току, следует предусмотреть шунт, напряжение на котором при желаемом токе будет равно 1.25 В. Страница набора на сайте разработчика говорит, что преобразователь при пяти вольтах на входе и 12 на выходе выдержит 60 миллиампер.

Я планирую использовать светодиодную матрицу с рабочим напряжением около 10 вольт. То есть в ней последовательно соединены три белых светодиода. Выходит, что выходное напряжение преобразователя будет то же самое, 10 В на светодиоде плюс 1.25 В на шунте.

Но питать преобразователь буду не от пятивольтового USB-пауэрбанка, а от литиевого аккумулятора. Его минимальное напряжение 3.7 В.

Нагрузка на катушку и транзистор повышающего преобразователя тем выше, чем ниже входное напряжение.

Микросхема в этом наборе достаточно мощная, но катушка слабая. Поэтому с выхода преобразователя можно потреблять ток (60/5)*3.7 = 44 миллиампера. Следовательно, сопротивление шунта должно быть 30 Ом.

Этот огромный светодиод может потреблять ток до 900 мА. Но в таком случае ему нужен радиатор. Если использовать более мощную катушку, можно сделать повышающий преобразователь с более высоким выходным током.

Соответственно можно установить с помощью резистора R2 больший пиковый ток, но не более полутора ампер, потому что для нашей микросхемы это предел.

Ещё я хочу добавить плавное управление яркостью. Для этого подсоединю шунт ко входу обратной связи не напрямую, а через резистор на 1.2 кОм. Вход ОС микросхемы имеет высокое сопротивление, поэтому этот резистор сам по себе ничего не изменит.

Картинка с сайта: habr.com

Добавим переменный резистор 50 кОм и последовательно с ним постоянный 5 кОм, чтобы предотвратить непосредственное соединение ножки обратной связи с выходом преобразователя.

Теперь напряжение обратной связи будет равно сумме напряжений на шунте и на дополнительном резисторе 1.2 кОм. Микросхема поддерживает напряжение ОС постоянным. Оно всегда равняется 1.25 вольта.

Поэтому напряжение на шунте, а соответственно и ток светодиода, будет меньше на величину напряжения на дополнительном резисторе. Это напряжение зависит от тока через переменный резистор.

Если этот ток равен одному миллиамперу, то шунту остаётся вообще ноль вольт. Иными словами, светодиод выключен.

Все или почти все знают, что светодиод питается током. Чем выше ток, тем ярче свет. При этом напряжение на светодиоде при разных токах остаётся почти постоянным.

Иногда светодиоды даже используют как стабисторы, то есть стабилизаторы напряжения. Поэтому считаем, что напряжение на этих трёх резисторах 50к, 5к и 1.2к равно десяти вольтам.

Если ручка переменного резистора в положении 0 Ом, сопротивление этой цепи равно 6.2 килоома. Ток выше 1 миллиампера, то есть светодиод выключен.

Если ручка в положении 50 кОм, то общее сопротивление равняется 56 кОм. Ток равен 180 микроамперам.

Это 18% от одного миллиампера. Поэтому можно уменьшить сопротивление шунта на восемнадцать процентов. Выходит 26 Ом.

Получается регулятор яркости. Если светодиод всегда присоединён к выходу преобразователя, то больше ничего не нужно. Светодиод будет ограничивать выходное напряжение преобразователя.

Если светодиода нет, или выходное напряжение ниже рабочего напряжения светодиода, то есть он закрыт и не принимает участие в работе схемы, цепь управления яркостью работает как ОС по напряжению.

Ток делителя равен одному миллиамперу. То есть число вольт на выходе равно числу килоом общего сопротивления делителя. Наименьшее напряжение выходит 6.2 вольта. Это приемлемо.

Но наивысшее напряжение получается 56 вольт, что слишком высоко. Это может повредить электролитический конденсатор и диод.

Как сделать обратную связь по напряжению так, чтобы она не мешала регулятору яркости? Нам может помочь стабилитрон. Это особый диод, подключаемый в обратном направлении.

Если напряжение на нём ниже его рабочего, он остаётся закрытым и ничего не делает. Если напряжение достигает рабочего, то стабилитрон открывается и стабилизирует напряжение.

То есть когда светодиод подключён, стабилитрон не мешает работе фонарика. Когда светодиода нет, выходное напряжение будет равно 12 + 1.25 = 13.25 В. Или меньше, в зависимости от положения регулятора яркости.

▍ Сборка и испытания

Теперь можно собрать преобразователь с теми изменениями схемы, которые мы сейчас разработали.

Фонарик неплохо светит и освещает. Если напечатать на 3D-принтере или изготовить иным способом хороший корпус, то получится полезный экономный фонарик. Ещё не помешает добавить контроллер зарядки, желательно современный, чтобы быстро заряжать аккумулятор.

Потребление тока на холостом ходу меньше десяти миллиампер. Это много, но энергия тратится не на пустой нагрев, а на работу красного светодиода, благодаря которому фонарик легко отыскать в темноте. Конечно же, можно и нужно добавить выключатель питания.

Картинка с сайта: habr.com

При максимальной яркости цепь потребляет 130 мА. То есть аккумулятора типоразмера 18650 хватит на сутки или несколько суток, в зависимости от яркости и времени использования. Следует учитывать, что ЭДС аккумулятора при разрядке снижается. При неизменной мощности преобразования растёт потребляемый ток.

900-миллиамперная матрица работать от преобразователя отказалась. Ей нужно по крайней мере 200-300 мА. Маленький ток матрица просто съедает и даже не светится.

Картинка с сайта: habr.com

Поэтому я сделала матрицу 2p3s (два параллельно, три последовательно) из обычных 5-миллиметровых белых светодиодов. Выходит допустимый ток 2*20 = 40 мА, рабочее напряжение 3*3.3 = 10 В. Снижать сопротивление шунта до 26 Ом не стала, оставила 30. Тем более, что как раз такой резистор у меня был в наличии.

Подобным образом можно переделать в драйверы светодиодов или блоки питания для мастерской и другие DC-DC преобразователи. Обратная связь по току — это ещё и защита от перегрузки или короткого замыкания.

Картинка с сайта: habr.com

Например, так выглядел драйвер фары электромопеда на базе понижающего преобразователя. В правой части фото несимметричный мультивибратор — электронный прерыватель для зуммера, который пришлось сделать потому, что штатный прерыватель в зуммере не работал.

Опишите в комментариях свой опыт работы со светодиодами и преобразователями напряжения.

Картинка с сайта: habr.com

В настоящее время найти драйвер для светодиодов не проблема — были бы деньги (иногда немалые) да время (дождаться посылки из Поднебесной). Поэтому те, для которых эти два фактора не являются решающими, дальше могут не читать. Написанное ниже предназначено для «рукоделов», которым продукт своего труда дороже чужих «жемчугов», в кармане не то, чтобы ветер гуляет, но и от излишка денег он не рвется, а результат хочется увидеть еще «вчера».

Итак, первое и главное положение: «Светодиоды — не лампочки и питаются не напряжением, а током!». Падение напряжения на светодиоде(-ах, включенных последовательно цепочкой) является параметром вторичным, зависит от тока через светодиод(ы) и учитывается исключительно для выбора драйвера, способного обеспечить нужный ток при напряжении, не меньше, чем падение напряжения на нем (них). Поэтому главной функцией светодиодного драйвера является формирование достаточно стабильного тока, питающего светодиоды. Идеальной стабилизации силы тока добиваться нет смысла, т.к. глазом небольшие колебания яркости в зависимости от колебаний силы тока практически незаметны, а схему могут серьезно усложнить. Сказанное выше частично относится и к светодиодным лентам, в которых «драйверами» являются токоограничительные резисторы, соединенные последовательно с цепочками светодиодов, состоящими, как правило, из трех штук.

Ради справедливости, следует отметить, что для питания светодиодов не оставляются попытки применения стабилизаторов напряжения (и даже работающих) [1].

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 1 Светодиодный драйвер, выполненный на стабилизаторе напряжения [1]

Если для относительно маломощных светодиодов такие схемы еще допустимы, то для мощных светодиодов, к сожалению, не учитывается положительная зависимость ВАХ от температуры, что приводит к лавинообразному повышению протекающего через них тока по мере их разогрева.

Токостабилизирующие драйверы существуют двух видов:

1. линейные;
2. импульсные.

Линейные могут быть только понижающими, т.е., входное питающее напряжение должно быть в обязательном порядке выше, чем падение напряжения на цепочке светодиодов. КПД таких драйверов, как правило, невысок, однако, вследствие простоты схемы, их применение имеет свою нишу, в частности при относительно небольшой разнице между напряжением питания и падением напряжения на светодиодах и небольших токах питания последних. Импульсные же драйверы способны как понижать выходное напряжение, так и его повышать.

Ныне существует множество драйверных микросхем (например, MAX4080, MAX4081, LT494, LT1637, LT1672, LT1784, LTC2053, LTC6800, INA337 и т.п.) [2]) Все они хороши, если бы не два «НО»! а) Сто́ят они не так, чтобы дешево и б) достаточно дефицитны. А некоторые — так и вообще экзотика.

Важным параметром для применимости этих микросхем в качестве стабилизаторов тока, является опорное напряжение для компаратора обратной связи (ОС), от которого зависит падение напряжения на токоизмерительном шунте и, в конечном итоге, влияющее (в числе прочих факторов) на экономичность и КПД преобразователя. Для микросхем, позиционируемых, как стабилизаторы напряжения, этот параметр составляет порядка 1,25…1,5 В. Для специализированных токостабилизирующих микросхем как, например, NCP3065/NCP3066 — намного меньше, порядка 0,235 В. К сожалению, цены на вторые «кусаются». Поэтому основной задачей данной разработки было применение распространенных бюджетных микросхем стабилизаторов напряжения в качестве токостабилизирующих, с экономичностью, приближенной к специализированным микросхемам токовых стабилизаторов (а в идеале — даже превысить ее).

Из наиболее распространенных микросхем импульсных стабилизаторов напряжения можно назвать MC34063, найти которую можно чуть ли не в любой лавке, а сто́ит она в корпусе DIP-8 меньше $0,20 (в корпусе SO-8 — еще меньше). В конце концов, ее можно просто выпаять из старой аппаратуры (например, модемов, свичей, даже некоторых старых материнских плат). И все бы с ней было хорошо, если бы не довольно высокое значение опорного напряжения — 1,25 В (Рис. 2). Принцип стабилизации напряжения в данной микросхеме заключается в подержании потенциала на входе компаратора ОС (5-м выводе) на 1,25 В плюсовее, чем на входе «земли» (4-м выводе). Именно такое напряжение должно упасть на токоизмерительном резистивном шунте (R2), что вызывает его нагрев и существенно снижает КПД драйвера при достаточно высоких значениях тока питания светодиодов (порядка 0,7 А для 3-ваттных двухкристальных светодиодов, либо 1 А для 10-ваттных матриц).

Рис. 2 Схема простого токостабилизирующего драйвера на MC34063

Есть, конечно, методы обхода этой проблемы с использованием дополнительных ОУ (Рис. 3), усиливающих падение напряжения на токоизмерительном шунте (R1). Но это усложняет драйвер, а мы рассматриваем именно простые бюджетные схемы.

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 3 Пример схемы светодиодного драйвера с токоизмерительным шунтом в минусовой шине питания и ОУ в качестве усилителя напряжения токового шунта [3]

Падение напряжения на токоизмерительном шунте R1, пропорциональное току через светодиоды, «разгоняется» ОУ до +1,25 В относительно 4-го вывода, подключенного к нулевой шине. Возникает вопрос: нельзя ли добиться этого иным, более простым способом? И этих песен у нас-таки есть! Для этого нужно искусственно суммировать выходное напряжение с токоизмерительного шунта с дополнительным напряжением, подаваемым на вход компаратора ОС. Скажем, +1 В. Тогда на R1 должно падать всего 0,25 В, что по эффективности уже сопоставимо с NCP3065/NCP3066. Откуда же взять это напряжение? Да с плюсовой шины питания, подключенной к 4-му выводу! Подобная схема была предложена одним из соавторов данной статьи несколько лет назад [4] для питания светодиода велофары.

Сущность данного технического решения заключается в замене резистивного делителя между выходом и общей шиной, подключенного ко входу компаратора ОС, делителем, образованным токоизмерительным шунтом (R2) и резистором подтяжки (R1) ко входному напряжению питания, причем, между токоизмерительным шунтом и входом компаратора ОС в включен низковольтный «стабилитрон» (Рис. 4), за счет которого из порогового напряжения срабатывания компаратора ОС вычитается напряжение, падающее на «стабилитроне». Оставшееся напряжение падает на токоизмерительном шунте.

Рис. 4 Принципиальная схема простого понижающего токостабилизирующего драйвера [4]

В случае применения в качестве «стабилитрона» кремниевого диода, на нем упадет всего около 0,65 В. При увеличении тока через светодиод падение напряжения на R2 возрастает, что приводит к снижению выходного напряжения, а значит, и тока (и наоборот). Следовательно, на токоизмерительном шунте должно упасть 1,25 — 0,65 = 0,6 В, что все-таки слишком много. На цепочке, составленной из диодов кремниевого и германиевого (или Шоттки), упадет около 1 В, что уже вполне приемлемо.

Как вариант, в качестве одного из диодов, можно использовать падение на базо-эмиттерном переходе транзистора (VT1) p-n-p структуры, включенного в виде эмиттерного повторителя (Рис. 5).

Рис. 5 Принципиальная схема варианта простого понижающего токостабилизирующего драйвера [4]

Работает данная схема аналогично приведенной на Рис. 4. На вход компаратора ОС (5-й вывод) микросхемы поступает положительное напряжение через резистор R1. Одновременно оно ограничивается падением напряжения на базо-эмиттерном переходе VT1. В принципе, этого было бы достаточно, чтобы «срезать» 0,65 В, если транзистор кремниевый, тогда на токоизмерительном шунте R2 должно упасть всего 0,6 В вместо 1,25 В. Неплохо, но хотелось бы еще меньше. Учитывая, что транзистор — p-n-p проводимости, а такая была у большинства старых германиевых транзисторов, можно какой-то из них и использовать, дополнив кремниевым диодом VD2. Суммарное падение на двух p-n переходах из разных материалов составит при этом около 1 В. Либо же возможен другой вариант: кремниевый транзистор и германиевый диод (Д2, Д9, ГДххх и т.п.). К сожалению, в настоящее время германиевые полупроводниковые приборы стали дефицитом.

Измерительная часть повышающего токостабилизирующего драйвера принципиально не отличается от понижающего (Рис. 6).

Рис. 6 Принципиальная схема простого повышающего токостабилизирующего драйвера

В этой схеме, аналогично Рис. 5, также возможно применение p-n-p транзистора вместо одного из диодов. С инвертирующим драйвером (Рис. 7) ситуация еще проще:

Рис. 7 Принципиальная схема простого инвертирующего токостабилизирующего драйвера

Напряжение на входе компаратора ОС просто стабилизируется относительно обшей шины параметрическим стабилизатором, образованным резистором R1 и «стабилитроном» VD2VD3, подключенным анодом не к токоизмерительному шунту, а непосредственно к общей шине, обеспечивая на нем потенциал +1 В относительно нулевой шины, тогда как на 4-й вывод поступает отрицательное напряжение с токоизмерительного шунта. Алгебраическое суммирование этих двух потенциалов дает ту же величину +1,25 В на входе компаратора ОС (5-м выводе) относительно «земляного» (4-го вывода).

При всей простоте описанного решения, оно обладает существенными недостатками, главные из которых следующие:

1. «Стабилитрон» из диодов либо транзистора и диода является нерегулируемым, что существенно ограничивает возможности выбора компонентов;
2. На напряжение, падающее на «стабилитроне» большое влияние оказывает температура.

Поэтому дальнейшее усовершенствование схемы пошло по пути использования более температурно-стабильного «стабилитрона» (миль пардон за тавтологию), в качестве которого применен шунтовый регулятор напряжения TL431. Решение было предложено соавтором данной статьи Hepo (Рис. 8). Похожее решение, но отличающееся по принципу работы, было описано в статьях [5, 6].

Рис. 8 Принцип построения токостабилизирующей цепи с использованием стабилизации шунтовым регулятором TL431

Принцип работы данной токостабилизирующей цепи заключается в следующем. Напряжение на делителе R1/R2+RS стабилизируется параметрическим стабилизатором RBDA1 на уровне, превышающем входное напряжение компаратора ОС. В данном случае — 2,5 В. Использование в качестве «стабилитрона» шунтового регулятора TL431 обусловлено исключительно его термостабильностью. Если таковая не важна — можно применить любой низковольтный стабилитрон (Рис. 9).

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 9 Варианты стабилитронов для токостабилизирующей цепи

В отсутствие выходного напряжения, а следовательно, и тока, протекающего через светодиод(ы) HL1, напряжение в точке соединения R1R2 (а следовательно, и на входе компаратора ОС) ниже, чем требуемое для него пороговое, поскольку номинал RS составляет доли Ома (на Рис. 9 указано значение 1,15 В). Микросхема запускается в работу, на выходе появляется рабочее напряжение, а ток, протекающий через светодиод HL1, создает на токоизмерительном шунте RS определенное падение напряжения, пропорциональное протекающему через него току, за счет чего потенциал в точке соединения R1R2 (а следовательно, и на входе компаратора ОС) становится равным пороговому напряжению срабатывания компаратора, останавливающему работу микросхемы и вновь запускающему ее при падении тока через светодиод и, соответственно, через RS. Резистор R2 составлен из двух: основного R2.1 и подстроечного R2.2.

На основе описанного принципа спроектирован и изготовлен токостабилизирующий драйвер третьего стоп-сигнала для спорткара, выполненного на двух последовательно включенных светодиодных матрицах по 30 Вт (суммарно 60 Вт при суммарном падении напряжения на них порядка 60…66 В при токе 1 А и питании от бортовой сети легкового автомобиля напряжением 12 В). Для такого тока номинал токоизмерительного шунта составляет 0,1 Ома, что обеспечивает падение напряжения на нем всего 0,1 В и, следовательно, рассеиваемую мощность всего 0,1 Вт. Принципиальная схема собственно драйвера приведена на Рис. 10.

Рис. 10 Принципиальная схема токостабилизирующего драйвера для мощных светодиодных матриц

Режим работы данного стоп-сигнала заказчиком выбран мигающим. Управление драйвером выполнено на таймере NE555 (Рис. 11).

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 11 Принципиальная схема управления светодиодным драйвером стоп-сигнала

Отличительной особенностью самого драйвера является цепь VT1R7R8R9, защищающая ключевой транзистор VT3 от пробоя высоким напряжением при обрыве контакта со светодиодами. Делитель R8R9 с коэффициентом деления 1:120. При выходном напряжении более 80 на базе транзистора VT1 появляется напряжение, превышающее 0,7 В, он открывается и шунтирует на общую шину первый каскад выходного ключа. Такой принцип защиты описан в [7], но опять же, сама его схемотехническая реализация была другой.

К этому же выводу по схеме «проводного ИЛИ» подключен и 7-й вывод таймера (с открытым коллектором), разрешающий работу драйвера при единичном состоянии на 3-м выводе (состояние формирования выходного импульса). Аналогов подобного метода управления не найдено. Это не значит, что их нет вообще, но авторам статьи в открытом доступе они не встречались.

Фото готовых драйверов показано на Рис. 12, а сам стоп-сигнал (в разобранном виде) — на рис. 13. Светодиодные матрицы прикреплены к алюминиевому радиатору. За счет кратковременности работы стоп-сигнала тепловой режим рассеивания мощности матрицами в закрытом корпусе не критичен.

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 12 Фото драйверов стоп-сигнала

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 13 Фото стоп-сигнала

Следует отметить, что для таких токов весьма существенной является топология печатной платы. Первый вариант ее разводки не позволил поднять ток через светодиоды более 0,7 А при любом соотношении номиналов делителя R3R4R5R6. После ее переразводки с оптимизацией дорожек (Рис. 14) максимальное значение удалось поднять до 1,2 А, что свидетельствует о неоптимальности и этого варианта. Поэтому файл с печатной платой и не прикладывается. Но заказчика работа стоп-сигнала полностью удовлетворила и дальнейшей оптимизации разводки не производилось.

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 14 Печатная плата мощного светодиодного драйвера

До сих пор речь шла о токостабилизирующих драйверах, выполненных на микросхеме MC34063, однако, сам описанный выше принцип стабилизации тока позволяет применить его для практически любого импульсного преобразователя-стабилизатора напряжения.

В качестве «подопытного кролика» был выбран повышающий стабилизатор на микросхеме SDB6826 китайского производства. Его исходная схема приведена на Рис. 15, а переделанная под токостабилизацию — на Рис. 16. Платы импульсных преобразователей до и после переделки показаны на Рис. 17.

Рис. 15 Принципиальная схема повышающего стабилизатора напряжения на SDB6826 [8]

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 16 Принципиальная схема переделки импульсного стабилизатора напряжения на SDB6826 под стабилизацию тока

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 17 Платы повышающих импульсных преобразователей на основе микросхемы SDB6826
Слева вверху — до переделки; справа внизу — после переделки.

Переделанная плата была использована для питания трех последовательно включенных белых светодиодов мощностью по 3 Вт током 300 мА от одного литиевого аккумулятора 18650 в ручном фонарике (Рис. 18). КПД составил 91%.

Картинка с сайта: cxem.net

Рис. 18 Повышающий драйвер для ручного светодиодного фонарика

Вторым «подопытным кроликом» стала опять же готовая плата понижающего стабилизатора напряжения на микросхеме LM2596S [9] для питания 10-ваттной белой светодиодной матрицы от гелевого 12-вольтового аккумулятора током 1 А. Стабилизация тока сохранялась при питании от свежезаряженного аккумулятора (13,4 В) и прекращалась при снижении питающего напряжения ниже 12,2 В, что можно объяснить значительным напряжением насыщения биполярного ключевого транзистора данной микросхемы, работающего по схеме включения с общим коллектором. К сожалению, фото, иллюстрирующие этот экспериент, не сохранились. По его результатам стала очевидной необходимость применения внешнего ключевого транзистора, как на схеме по Рис. 8.

Экспериментов с инвертирующим драйвером не производилось.

Таким образом, экспериментально подтверждена применимость использования различных микросхем, позиционируемых, как стабилизаторы напряжения, в качестве стабилизаторов тока для светодиодов, обеспечивающих минимальные потери на токоизмерительном шунте.

Литература

1. Баширов, А. Карманный фонарь на мощном светодиоде / А. Баширов, С. Баширов.– Радио,  2009, № 6.– С. 51-52.
2. Микросхемы для измерения тока http://www.kit-e.ru/articles/chip/2006_10_116.php
3. Подключение светодиодов: практика http://we.easyelectronics.ru/Theory/podklyuchenie-svetodiodov-praktika.html
4. http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?p=334232#p334232
5. варп Блок питания (инвертор) с адаптивным ограничением тока / варп.– //cxem.net/pitanie/5-292.php;
6. варп Блок питания (инвертор) с адаптивным ограничением тока (часть 2) / варп.– //cxem.net/pitanie/5-293.php
7. Горбатых, В. Освещение салона сверхъяркими светодиодами / В. Горбатых.– Радио, 2009, № 10.– С. 43-44.
8. SDB628 High Efficiency 1.2 MHz 2 A Step Up Converter (Datasheet).– http://hfdx.at.ua/_fr/7/SDB628.pdf
9. LM2596 SIMPLE SWITCHER Power Converter 150-kHz 3-A Step-Down Voltage Regulator (Datasheet).– http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm2596.pdf

В соавторстве с Hepo

Теги:

В первой части было показано что светодиоды необходимо питать от источника тока. Устройство обеспечивающее постоянный ток на выходе по русски называется стабилизатор тока. Но у нас в моде английские названия, а у них есть универсальное слово драйвер (driver) которое имеет массу значений — водитель · программа · шофер · приводной механизм · командир. Задумайтесь — красиво звучит: «водитель светодиода» или «шофер светодиода». Ладно шутки в сторону. Выпускается очень большое количество разнообразных микросхем драйверов светодиодов, если быть точным то микросхем для использования в составе драйверов. Потому что драйвер, кроме микросхемы, состоит как минимум из двух трех деталей.
Однако, не углубляясь в драйверные дебри, скажу что существуют аналоговые (непрерывные) и импульсные драйверы. Первые всем хороши, но на них рассеивается большая мощность, поэтому требуется большой радиатор для микросхемы (а светодиоду тоже нужен не маленький радиатор). Импульсные драйверы работают прерывисто, в их состав входит ключ (выключатель) который во включенном состоянии подпитывая накопитель энергии, а специальная схема следит сколько энергии накопилось и по достижению нужного значения размыкает ключ, Накопитель питает светодиод и как только уровень энергии снизится до минимально заданного ключ снова замыкается, и так по циклу. Собственно точно также работает регулятор напряжения в автомобиле, с той лишь разницей что микросхема драйвера следит за током через светодиод. Преимущество по сравнению с аналоговым в том что мощность рассеивается (теряется) только когда ключ замкнут, а так как сопротивление открытого ключа достаточно мало, то и мощность в десятки сотни раз меньше чем в аналоговом. Многие драйверы могут работать без радиатора. Есть еще одна тонкость. В импульсных драйверах в качестве накопителя используют катушку индуктивности — дроссель (энергия накапливается в магнитном поле). А так как дроссель должен быть достаточно компактным, то для увеличения его способности накапливать при малых габаритах, применяют ферромагнитные сердечники. Однако сердечники могут быть намагничены только до определенного предела, дальше происходит насыщение, и энергия сверх этого предела не копится. А предел определен свойствами материала и объемом сердечника.
А теперь собственно драйверы.
Кто то их делает сам, чем и я раньше занимался, но сейчас их можно достаточно дешево купить на Алиэкспрессе. Поэтому краткий обзор от плохих к хорошим.

1. Драйвер на MC34063

Картинка с сайта: www.drive2.ru

Кроме дешевизны сплошные недостатки.

2. Драйвер №1 на PT4115

Картинка с сайта: www.drive2.ru

Практически во всех «десятиватных» китайских прожекторах стоит такой драйвер. Резисторами R1 и R2 задается ток. У этого драйвера серьезный недостаток очень маленький дроссель. Поэтому ток не может быть больше 0,5 А. Кроме того этот драйвер излучает море помех, при снижении тока до 0,3 А излучения почти нет.

3. Драйвер на AX2002

Картинка с сайта: www.drive2.ru

Очень неплохой драйвер, начинает работать с 3 вольт, не лучит помехи. С дросселем как на фото ток не может быть больше 0,5 А

4. Драйвер №2 на PT4115

Картинка с сайта: www.drive2.ru

Самый дорогой и самый хороший. Резисторами R1 и R2 задается ток.
Обратите внимание на дроссель на фото ниже

Картинка с сайта: www.drive2.ru

Для тока 0,7…0,8 А подходят без доработки.
Диоды на входе D1-D4 (SS14) я выпаиваю и заменяю D2 и D3 перемычками, после этого обязательно соблюдать полярность ( слева на фото минус).
Конечно охватить все разнообразие драйверов в одной записи невозможно, но общий принципы выбора — это специализированная микросхема ( не MC34063 дешевая затычка во все дырки) и достаточно большой дроссель.
Всем удачи! Продолжение следует.