Особенности питания ярких и сверхъярких светодиодов

категория
Светодиод и его применение
материалы в категории

Для начала давайте определимся с особенностями питания ярких и сверхъярких светодиодов, а далее разберёмся с тем, что представляет собой светодиодный драйвер, какие бывают драйвера и как их рассчитывать.

С точки зрения питания для нас важны следующие вещи:
1) количество излучаемого света определяется величиной протекающего через светодиод тока
2) светодиоды имеют сильно нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ)
3) ВАХ светодиодов сильно зависит от температуры.

На рисунке справа, в качестве примера, показана ВАХ красного сверхъяркого smd-светодиода диаметром 5 мм при различных температурах.

Как видите, если мы попытаемся питать такой светодиод стабильным напряжением, скажем 2 Вольта, то при 20⁰C ток через него будет в районе 14 миллиампер, а при 70⁰C - в районе 35 миллиампер. Такая большая разница в потребляемом токе будет выражаться в очень большой разнице свечения (как мы уже говорили выше, - количество излучаемого света определяется протекающим через светодиод током).

Таким образом, для поддержания яркости светодиода на одном и том же уровне, питать его нужно не стабильным напряжением, а стабильным током.

Устройство, позволяющее питать светодиоды стабильным током, называется светодиодным драйвером. По сути это просто обычный стабилизатор тока, - на его вход подаётся некоторое напряжение (не обязательно стабилизированное), а на выходе напряжение автоматически регулируется таким образом, чтобы получить стабильный ток через нагрузку.

Теперь давайте разберёмся, - чем стабилизатор тока принципиально отличается от стабилизатора напряжения? Как ни странно, - обычно практически ничем, кроме способа организации обратной связи.

В стабилизаторах напряжения сигналом обратной связи обычно является выходное напряжение, подаваемое на схему управления напрямую или через делитель. Но и в стабилизаторах тока сигналом обратной связи тоже обычно является напряжение, только снимается оно со специального токоизмерительного резистора, включенного последовательно с нагрузкой. Ниже показаны типичные структурные схемы стабилизаторов напряжения и тока.

То есть фактически стабилизатор тока тоже стабилизирует напряжение, но не на выходе преобразователя, а на токоизмерительном резисторе. Напряжение на этом резисторе связано с током через него всем известным законом Ома: U=I*R.

К чему это я? А это к тому, что раз никаких принципиальных отличий между стабилизаторами напряжения и тока нет, то практически любой стабилизатор напряжения достаточно легко переделывается в стабилизатор тока простым изменением архитектуры обратной связи. То есть практически все типы преобразователей напряжения (повышающие, понижающие и т.д.) без проблем могут быть переделаны в светодиодные драйверы (стабилизаторы тока).

Прежде чем разбираться дальше - давайте вспомним, каким образом в схеме управления используется сигнал обратной связи. Обычно этот сигнал подаётся на один из входов схемы сравнения (являющейся одной из составных частей общей схемы управления). В качестве схемы сравнения чаще всего используется операционник или компаратор. На другой вход схемы сравнения подаётся некое опорное напряжение Vref. Далее наша схема сравнения вырабатывает аналоговый или дискретный сигнал рассогласования между опорным напряжением и сигналом обратной связи, а потом на основе этого сигнала рассогласования схема управления вырабатывает управляющее воздействие, причём таким образом, чтобы сигнал рассогласования по возможности уменьшить (то есть схема управления стремится сделать сигнал обратной связи равным опорному напряжению). В качестве примера справа показаны входные цепи сигнала обратной связи популярной микросхемы для построения DC/DC конвертеров - MC34063.

Несмотря на всё сказанное выше, небольшое отличие между микросхемами драйверов и стабилизаторов напряжения всё же есть и заключено оно как раз в опорном напряжении схемы сравнения. Опорное напряжение в микрухах драйверов обычно значительно ниже, чем опорное напряжение в микрухах преобразователей. Скажем в микросхеме для светодиодных драйверов NCP3066, которая по структуре является братом-близнецом микросхемы MC34063, опорное напряжение составляет всего 235 мВ (против 1,25 В в MC-шке).

Такие различия в величине опорного напряжения связаны с тем, что в схемах драйверов повышенное опорное напряжение схемы сравнения ведёт к увеличению потерь на токоизмерительном резисторе, а в схемах стабилизаторов напряжения пониженное опорное напряжение схемы сравнения уменьшает точность.

Помните, выше мы уже говорили, что схема управления старается сделать сигнал обратной связи равным опорному напряжению схемы сравнения? Так вот, если бы на токоизмерительном резисторе при токе 1А падало 1,25В, то потери на этом резисторе составили бы 1,25 Вт, а при падении на нём 0,235В потери составят всего 0,235 Вт. Разница есть, не правда ли?

Уменьшение точности при пониженном опорном напряжении в схемах стабилизаторов напряжения связано с тем, что в этом случае придётся выбирать для делителя (с которого снимается сигнал обратной связи) резисторы слишком сильно отличающиеся по номиналу.

Ну а что же делать, если мы всё же хотим вместо специализированной микросхемы для построения драйверов использовать микросхему для построения DC/DC-конверторов (то есть с большим опорным напряжением схемы сравнения)? Ну, самое простое в этом случае - просто усилить сигнал с токоизмерительного резистора дифференциальным усилителем.

Следующий вопрос, который может быть нам интерен - это вопрос о том, каким образом можно управлять яркостью светодиода (то есть как изменять выходной ток).

Тут возможны два пути:

1) ШИМить сам драйвер, то есть периодически включать и выключать его. При этом соотношения времени включения и выключения будут определять средний выходной ток. Обычно в специализированных микросхемах для этого есть специальный пин, а там, где такого пина нет, - можно поставить транзистор по питанию схемы управления - получится тоже самое.

2) Регулировать опорное напряжение схемы сравнения (например контроллером). Если драйвер собран на специализированной микросхеме (и схема сравнения реализована внутри микрухи), то эту схему нужно просто вынести наружу. Тут пожалуй нужно пояснить, что значит "вынести наружу". Естественно, распилить микруху и что-то из неё достать - невозможно, да и не нужно. Нужно просто снаружи организовать схему сравнения аналогичную внутренней, но с возможностью регулировать на ней опорное напряжение, внутренняя цепь сравнения при этом просто потеряет актуальность.