Контроллер тока для светодиодов

С развитием мощных светодиодов NE555 снова вышла на арену в роли регулятора яркости (диммера), напомнив о своих неоспоримых преимуществах. Устройства на её основе не требуют глубоких знаний электроники, собираются быстро и работают надёжно.

Известно, что управлять яркостью светодиода можно двумя способами: аналоговым и импульсным. Первый способ предполагает изменение амплитудного значения постоянного тока через светодиод. Такой способ имеет один существенный недостаток – низкий КПД. Второй способ подразумевает изменение ширины импульсов (скважности) тока с частотой от 200 Гц до нескольких килогерц. На таких частотах мерцание светодиодов незаметно для человеческого глаза. Схема ШИМ-регулятора с мощным выходным транзистором показана на рисунке. Она способна работать от 4,5 до 18 В, что свидетельствует о возможности управления яркостью как одного мощного светодиода, так и целой светодиодной лентой. Диапазон регулировки яркости колеблется от 5 до 95%. Устройство представляет собой доработанную версию генератора прямоугольных импульсов. Частота этих импульсов зависит от ёмкости C1 и сопротивлений R1, R2 и определяется по формуле: f=1/(ln2*(R1+2*R2)*C1), Гц

Принцип действия электронного регулятора яркости заключается в следующем. В момент подачи напряжения питания начинает заряжаться конденсатор по цепи: +Uпит – R2 – VD1 –R1 –C1 – -U_пит. Как только напряжение на нём достигнет уровня 2/3U_пит откроется внутренний транзистор таймера и начнется процесс разрядки. Разряд начинается с верхней обкладки C1 и далее по цепи: R1 – VD2 –7 вывод ИМС – -U_пит. Достигнув отметки 1/3U_пит транзистор таймера закроется и C1 вновь начнет набирать ёмкость. В дальнейшем процесс повторяется циклически, формируя на выводе 3 прямоугольные импульсы.

Изменение сопротивления подстроечного резистора приводит к уменьшению (увеличению) времени импульса на выходе таймера (вывод 3), и как следствие, уменьшается (увеличивается) среднее значение выходного сигнала. Сформированная последовательность импульсов через токоограничивающий резистор R3 поступает на затвор VT1, который включен по схеме с общим истоком. Нагрузка в виде светодиодной ленты или последовательно включенных мощных светодиодов включается в разрыв цепи стока VT1.

В данном случае установлен мощный MOSFET транзистор с максимальным током стока 13А. Это позволяет управлять свечением светодиодной ленты длиной в несколько метров. Но при этом транзистору может потребоваться теплоотвод.

Блокирующий конденсатор C2 исключает влияние помех, которые могут возникать по цепи питания в моменты переключения таймера. Величина его ёмкости может быть любой в пределах 0,01-0,1 мкФ.

Как работает драйвер

LED-драйвер – источник постоянного тока, который создает на выходе напряжение. В идеале оно не должно зависеть от подаваемой на драйвер нагрузки. Сеть переменного тока характеризуется нестабильностью и нередко в ней наблюдаются значительные перепады параметров. Стабилизатор должен сглаживать перепады и предотвращать их негативное влияние.

К примеру, подключая к источнику напряжения 12 В резистор на 40 Ом можно получить стабильный показатель тока в 300 мА.

Если подключить параллельно два одинаковых резистора на 40 Ом, ток на выходе будет составлять уже 600 мА. Такая схема достаточно проста и характерна для самых дешевых электрических приборов. Она не способна автоматически поддерживать нужную силу тока и противостоять пульсациям напряжения в полной мере.

Драйверы питания для светодиодов делят на две большие группы: линейные и импульсные, по принципу работы.

Импульсная стабилизация

Импульсная стабилизация отличается надежностью и эффективностью при работе с диодами практически любой мощности.

Регулирующим элементом является кнопка, схема дополнена накопительным конденсатором. После подачи напряжения нажимается кнопка, заставляющая конденсатор накапливать энергию. Затем кнопка размыкается, а постоянное напряжение от конденсатора поступает на осветительное оборудование. Как только конденсатор разрядится, процедура повторяется.

Рост напряжения позволяет сократить время зарядки конденсатора. Подача напряжения запускается специальным транзистором или тиристором.

Все происходит автоматически со скоростью около сотен тысяч замыканий в секунду. КПД в данном случае нередко достигает впечатляющего показателя в 95%. Схема эффективна даже при использовании высокомощных светодиодов, поскольку потери энергии в процессе работы оказываются незначительными.

Линейный стабилизатор

Линейный принцип регулировки тока иной. Простейшая схема подобной цепи представлена на рисунке ниже.

В цепь установлен резистор, ограничивающий ток. Если меняется напряжение питания, смена сопротивления резистора позволит снова выставить нужное значение тока. Линейный стабилизатор автоматически следит за проходящим через светодиод током и при необходимости регулирует его при помощи переключателя резистора. Процесс протекает крайне быстро и помогает оперативно реагировать на малейшие колебания сети.

Подобная схема проста и эффективна, однако имеется недостаток — бесполезное рассеивание мощности проходящего через регулирующий элемент тока. По этой причине вариант оптимален при использовании с небольшим рабочим током. Использование высокомощных диодов может привести к тому, что элемент регулировки будет потреблять больше энергии, чем сама лампа.

Принцип работы.

Электронная схема должна обеспечить строго стабилизированные напряжение и ток, подводимые к кристаллу. Небольшое превышение в цепи питания существенно снижает ресурс светоизлучателя.

В простейшем и самом дешевом случае просто ставят ограничительный резистор.

Питание диода через ограничивающий резистор.

Это простейшая линейная схема. Она не способна автоматически поддерживать ток. С ростом напряжения, он будет расти, при превышение допустимого значения произойдет разрушение кристалла от перегрева. В более сложном случае управление реализуется через транзистор. Недостаток линейной схемы – бесполезное рассеивание мощности. С ростом напряжения будут расти и потери. Если для маломощных LED-источников света такой подход еще допустим, то при использовании мощных светоизлучающих диодов такие схемы не используются. Из плюсов только простота реализации, низкая себестоимость, достаточная надежность схемы.

Можно применить импульсную стабилизацию. В простейшем случае схема будет выглядеть так:

Пример.Импульсная стабилизация (упрощенно)

При нажатии на кнопку происходит заряд конденсатора, при отпускании, он отдает накопленную энергию полупроводнику, а тот излучает свет. При росте напряжения время на зарядку сокращается, при падении – увеличивается. Вот так на кнопку и надо нажимать, поддерживая свечение. Естественно, сейчас это все делает электроника. В источниках питания роль кнопки выполняет транзистор, либо тиристор. Это — принцип ШИМ — широтно-импульсная модуляция. Замыкание происходит десятки, а то и тысячи раз в секунду. КПД ШИМ может достигать 95%.

Категорически не стоит путать светодиодный драйвер и ПРА для люминесцентных ламп, у них разные принципы работы.

Устройства средней сложности

Среднюю сложность изготовления имеют драйверы для светодиодов на 220В. Много времени может занять их настройка, требующая опыта по наладке. Такой драйвер извлечь можно из светодиодных ламп, прожекторов и светильников с неисправной светодиодной цепью. Большинство драйверов также возможно доработать, узнав модель ШИМ-контроллера преобразователя. Параметры на выходе обычно задаются одним или несколькими резисторами. В datasheet указывается уровень сопротивления, необходимый для получения нужного тока. Если установить регулируемый резистор, то на выходе количество Ампер будет настраиваемым (но без превышения указанной номинальной мощности).

Высокой популярностью на Китайских сайтах в 2016 году пользовался универсальный модуль XL4015. По своим характеристикам он подходит для подключения светодиодов с высокой мощностью (до 100 Ватт). Стандартный вариант корпуса данного модуля припаян к плате, выполняющей функции радиатора. Чтобы улучшить охлаждение XL4015, схема стабилизатора тока должна быть доработана с установкой радиатора на корпус устройства.

Многие пользователи просто ставят радиатор сверху, однако эффективность такой установки довольно низкая. Систему охлаждения лучше всего располагать внизу платы, напротив пайки микросхемы. Для оптимального качества ее можно отпаять и установить на полноценный радиатор, используя термопасту. Провода при этом потребуется удлинить. Дополнительное охлаждение можно установить и для диодов, что значительно повысит эффективность работы всей схемы.

Среди драйверов наиболее универсальным считается регулируемый драйвер. В цепи в данном случае устанавливается переменный резистор, который задает количество ампер на выходе. Эти характеристики обычно указываются в следующих документах:

• в спецификации на микросхему;
• в datasheet;
• в типовой схеме включения.

Без добавочного охлаждения микросхемы такие устройства выдерживают 1-3 А (в соответствии с моделью ШИМ-контроллера). Слабое место таких драйверов — нагрев диода и дросселя. Выше 3 А потребуется охлаждение мощного диода и ШИМ-контроллера. Дроссель при этом заменяют более подходящим либо перематывают толстым проводом.

Драйвер для светодиодной ленты не подойдет для мощного уличного фонаря и наоборот, поэтому необходимо как можно точнее рассчитать основные параметры устройства и учесть условия эксплуатации.

Параметр	От чего зависит	Как рассчитать
Расчет мощности устройства	Определяется мощностью всех подключаемых светодиодов	Рассчитывается по формуле P = P LED-источника × n, где P – это мощность драйвера; P LED-источника – мощность одного подключаемого элемента; n – количество элементов. Для запаса мощности 30% нужно P умножить на 1,3. Полученное значение – это максимальная мощность драйвера, необходимая для подключения осветительного прибора
Расчет напряжения на выходе	Определяется падением напряжения на каждом элементе	Величина зависит от цвета свечения элементов, она указывается на самом устройстве или на упаковке. Например, к драйверу 12 В можно подключить 9 зеленых или 16 красных светодиодов.
Расчет тока	Зависит от мощности и яркости светодиодов	Определяется параметрами, подключаемого устройства

Преобразователи выпускаются в корпусе и без. Первые выглядят более эстетичными и имеют защиту от влаги и пыли, вторые используются при скрытом монтаже и стоят дешевле. Еще одна характеристика, которую необходимо учесть – допустимая температура эксплуатации. Для линейных и импульсных преобразователей она разная.

Важно! На упаковке с устройством должны быть указаны его основные параметры и производитель.

Основные выводы

Контроллер для светодиодной ленты – очень важный элемент управления. С его помощью происходит переключение между синим, зеленым и красным лед-кристаллами, а также настраивается их различное сочетание в соответствии с программными настройками. Кроме того, блок выполняет функцию диммера, контролируя яркость подсветки.

Для подключения контроллера требуется блок питания, выпрямляющий и понижающий ток до 12-14 вольт, что соответствует параметрам напряжения самой полихромной светодиодной ленты. Все модели этих устройств различаются по трем основным признакам:

1. Исполнению корпуса – с защитой от влаги, пыли или без нее.
2. По способу монтажа – отверстия для крепежа или специальная планка.
3. Системе управления – пультом, кнопками, через смартфон.

Наиболее распространенный тип управления – пультовый. ПДУ могут быть сенсорными, кнопочными и стационарными, и оснащаться радиочастотным или ИК-портом. При выборе контроллера для светодиодной ленты нужно учесть:

1. Вольтаж.
2. Силу тока.
3. Мощность.
4. Степень защиты от внешних факторов.

Подключать светодиодную ленту к контроллеру лучше посредством 4-контактного коннектора. Для этого нужно соединить лед-полоску с клеммами блока в соответствии со схемой.

LED-драйверы

LED-драйверы разрабатываются специалистами компаний «Интеграл» и «Тандем Электроника» и производятся на собственных мощностях с использованием пассивных комплектующих ведущих мировых производителей, что гарантирует их высокие эксплуатационные характеристики. В драйверах светодиодов, которые по типу подразделяются на линейные, изолированные и неизолированные, используются собственные специально спроектированные микросхемы, обеспечивающие функционирование драйвера с высокими техническими параметрами (таблица 1).

Таблица. Краткие характеристики LED-драйверов

Uвх, В	Р, Вт	Тип драйвера	КПД,%	Фактор мощности	Применение
110/220	5/10	Линейный	>90	>0,6	LED-трубки/лампы (эконом-вариант)
90-255	6-22	Изолированный	>85	>0,94	LED-трубки
90-255	3-22	Неизолированный	>86	>0,9	LED-трубки/лампы
90-255	2060	Изолированный	>87	>0,95	Индустриальные/уличные светильники

Как видно из таблицы, разработанные LED-драйверы характеризуются расширенным диапазоном входного напряжения, высокой эффективностью, высоким фактором мощности. Стабильность тока всех типов драйверов не хуже ±(1-3)%, срок службы более 40 000 ч. Возможно увеличение срока службы до 80 000 ч и более за счет схемотехнических решений, исключающих электролитические конденсаторы в плате драйвера.

Линейные LED-драйверы

Линейный драйвер представляет собой ограничитель тока, выполненный на семействе микросхем MCA1504, рассчитанных на типовой выходной ток 20, 30, 40 и 60 мА. Упрощенно ограничитель тока можно представить в виде некоего регулируемого резистора, сопротивление которого меняется в зависимости от напряжения на нем, за счет чего ток в цепи резистора остается постоянным [1]. Внешний вид драйвера и его схема показаны на рис. 1. Стабильность тока составляет ±2,5% в диапазоне сетевых напряжений 210-230 В (рис. 2).

Рис. 1. Линейный светодиодный драйвер на ИМС МСА1504 40 мА:
а) внешний вид;
б) электрическая схема

Рис. 2. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения линейного драйвера с выходным током 40 мА на ИМС МСА1504

Изолированные LED-драйверы

Изолированный драйвер мощностью 6-22 Вт разработан на базе микросхемы MCA1501 [2], а мощностью 40-200 Вт — на базе MCA6062. Драйвер этого типа представляет собой гальванически изолированный от сети обратноходовой импульсный преобразователь напряжения (flyback converter) с контролем выходного тока через цепь обратной связи посредством оптопары и активным корректором коэффициента мощности (ККМ). Внешний вид драйверов на ИМС МСА1501 и МСА6062 и их блок-схема показаны на рис. 3.

Рис. 3. Внешний вид изолированного LED-драйвера:
а) 11 Вт;
б) 60 Вт;
в) блок-схема драйвера мощностью 60 Вт

Микросхемы MCA1501 и МСА6062 представляют собой сетевой светодиодный контроллер с ККМ, разработанный для управления обратно-ходовыми понижающими или повышающими преобразователями, работающими в режиме критической проводимости (Critical Conduction Mode). Драйверы данной конструкции характеризуются высокой стабильностью тока: изменение тока не превышает ±1% в диапазоне сетевых напряжений 90-255 В (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения изолированных LED-драйверов мощностью 11 и 60 Вт

В изолированном LED-драйвере большой мощности (60-200 Вт) используется схема обратноходового импульсного преобразователя напряжения на базе ИМС MCA6062 с активным ККМ на входе (рис. 5).

Рис. 5. LED-драйвер мощностью 60-200 Вт:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Неизолированные LED-драйверы

Схема неизолированных светодиодных драйверов содержит фильтр радиопомех, блок выпрямителя, схему управления со встроенным активным либо с внешним пассивным ККМ и блок ключа с интегрирующим элементом. Данные LED-драйверы мощностью 3-22 Вт построены на базе микросхем MCA1602 и МСА1503 и представляют собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с пассивным ККМ (для схемы с MCA1602) и активным ККМ (для схемы с МСА1503). Внешний вид неизолированных LED-драйверов и их блок-схема показаны на рис. 6, 7. Изменение тока неизолированных LED-драйверов на базе ИМС МСА1602 и МСА1503 в диапазоне сетевых напряжений 100-255 В не превышает ±3% (рис. 8).

Рис. 6. Неизолированный LED-драйвер на базе микросхемы MCA1602:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Рис. 7. Неизолированный LED-драйвер на базе микросхемы MCA1503:
а) внешний вид;
б) блок-схема

Рис. 8. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения LED-драйверов на базе ИМС MCA1602 мощностью 6 Вт и МСА1503 мощностью 9 Вт

Управляемый источник питания

УИП при решении задачи создания интеллектуальных систем освещения обеспечивает реализацию двух основных функций:

• прием, обработка и передача микросхеме LED-драйвера управляющего сигнала;
• обеспечение заданной яркости свечения источника света при оптимальных режимах работы светодиодов.

Конструктивно УИП реализован на одной плате (рис. 9), которая содержит контроллер управления с каналом цифрового интерфейса и источник импульсного тока питания светодиодов — LED-драйвер. В составе УИП могут использоваться как изолированные, так и неизолированные LED-драйверы, аналогичные описанным выше.

Рис. 9. Внешний вид УИП с неизолированным 20-Вт LED-драйвером

LED-драйвер мощностью 20 Вт, входящий в состав УИП, изображенного на рис. 9, представляет собой понижающий импульсный преобразователь напряжения (buck converter) с пассивным ККМ и схемой управления тока светодиодов по LIN-интерфейсу. Зависимости эффективности (КПД), выходного тока (тока светодиодов) и фактора мощности этого LED-драйвера представлены на рис. 10-12.

Рис. 10. Зависимость эффективности от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Рис. 11. Зависимость тока светодиодов от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Рис. 12. Зависимость фактора мощности от входного напряжения 20-Вт LED-драйвера в УИП

Управление яркостью светодиодов осуществляется по следующему алгоритму (рис. 13): цифровой управляющий сигнал формируется контроллером пульта управления системы в соответствии с установленной на нем программой и поступает по двухпроводному оптически развязанному каналу связи в модуль интерфейса UART микроконтроллера управления УИП.

Рис. 13. Структурная схема системы индивидуального управления светодиодными светильниками

Каждый микроконтроллер управления УИП имеет уникальный адрес. В системе пульт управления имеет статус мастера интерфейсной шины, остальные устройства являются ведомыми. Физически сигнал в линии передачи данных является токовым, что обеспечивает устойчивость к внешним помехам и позволяет создавать линии связи длиной до 200 м. В каждом устройстве имеется блок сопряжения с микроконтроллером через оптическую сигнальную развязку. Блок интерфейса микроконтроллера управления модифицирует протокол LIN, уменьшая скорость обмена данными до скорости 10 кбит/с, что обеспечивает устойчивую работу канала связи на длинных расстояниях при вполне достаточной для управления системами освещения скорости. В соответствии с принятой командой микроконтроллер выдает сигнал управления (ШИМ или линейный) на вход диммирования микросхемы LED-драйвера.