Драйвер для мощного светодиода своими руками

Мощные светодиоды 1 Вт и выше сейчас совсем недорогие. Я уверен,
что многие из вас используют такие светодиоды в своих проектах.

Однако питание таких светодиодов по-прежнему не такое простое и
требует специальных драйверов. Готовые драйвера удобны, но они не
регулируемые, или зачастую их возможности излишни.  Даже возможности
моего собственного универсального светодиодного драйвера могут быть
лишними. Некоторые проекты требуют самого простого драйвера, возможности
которого хватит.

Poorman’s Buck – простой светодиодный драйвер постоянного тока.

Этот светодиодный драйвер построен без микроконтроллера или
специализированной микросхемы. Все используемые детали легкодоступные.

Хотя драйвер задумывался как самый простой, я добавил функцию
регулировки тока. Ток может подстраиваться регулятором, установленным
на плате или ШИМ сигналом. Это делает драйвер идеальным для
использования с Arduino или другими управляющими устройствами — вы
можете управлять мощными светодиодами  микроконтроллером, просто
отправляя ШИМ сигнал. С Arduino вы можете просто подавать сигнал с
«AnalogWrite ()» для управления яркостью мощных светодиодов.

Особенности драйвера

Работа по схеме buck-конвертера (импульсного понижающего (step-down) преобразователя)
Широкий диапазон выходных напряжения от 5 до 24В. Питание от батарей и адаптеров переменного тока.
Настраиваемый выходной ток до 1А.
Метод контроля тока «цикл за циклом»
До 18Вт выходной мощности (при напряжении питания 24В и шестью 3 Вт светодиодами)
Контроль тока при помощи потенциометра.
Контроль тока может быть использован как встроенный диммер.
Защита от короткого замыкания на выходе.
Возможность управления ШИМ сигналом.
Маленькие размеры — всего 1х1,5х0,5 дюйма(без учета ручки потенциометра).

Схема светодиодного драйвера

Схема построена на очень распространенном интегральном двойном
компараторе LM393, включённым по схеме понижающего преобразователя.

Индикатор выходного тока сделан на R10 и R11. В результате
напряжение пропорционально току в соответствии с законом Ома. Это
напряжение сравнивается с опорным напряжением на компараторе. Когда Q3
открывается, ток течёт через L1, светодиоды и резисторы R10 и R11.
Индуктор не позволяют току повышаться резко, поэтому ток возрастает
постепенно. Когда напряжение на резисторе повышается, напряжение на
инвертирующем входе компаратора также увеличивается. Когда оно
становится выше опорного напряжения, Q3 закрывается и ток через него
перестаёт течь.

Поскольку индуктор «заряжен», в схеме остаётся ток. Он течет через
диод Шоттки D3 и питает светодиоды. Постепенно этот ток затухает и цикл
начинается снова. Этот метод контроля тока называется «цикл за
циклом». Также этот метод имеет защиту от короткого замыкания на
выходе.
Весь этот цикл происходит очень быстро — более чем 500 000 раз в
секунду. Частота этих циклов изменяется в зависимости от напряжения
питания, прямого падения напряжения на светодиоде и тока.

Опорное напряжение создается обычным диодом. Прямое падение
напряжения на диоде составляет около 0,7В и после диода напряжение
остаётся постоянным.  Затем это напряжение регулируется потенциометром
VR1 для контроля выходного тока.  При помощи потенциометра выходной ток
можно изменять в диапазоне около 11:01 или от 100% до 9%. Это очень
удобно. Иногда после установки светодиодов они оказываются намного
ярче, чем ожидалось. Вы можете просто уменьшить ток для получения
необходимой вам яркости. Вы можете заменить потенциометр двумя обычными
резисторами, если вы хотите установить яркость светодиодов один раз.

Преимущество такого регулятора в том, что он контролирует выходной
ток без «сжигания» избыточной энергии. Энергии от источника питания
берётся только столько, сколько нужно, чтобы получить необходимый
выходной ток. Немного энергии теряется из-за сопротивления и других
факторов, но эти потери минимальны. Такой конвертер  имеет
эффективность 90% и выше.
Этот драйвер при работе мало греется и не требует теплоотвода.

Настройка выходного тока

Драйвер может быть настроен на выходной ток от 350 мА до 1А. Изменяя
значение R2 и подключая сопротивление  R11, вы можете изменить
выходной ток.

Потенциометр изменяет выходной ток от 9 до 100% от заданного тока.
Если вы настроили драйвер на 1А на выходе, то минимальный возможный
выходной ток будет 90мА. Это можно использовать для регулировки яркости
светодиода.

ШИМ вход

Для основной работы схемы достаточно одного компаратора. Но в LM393
есть два компаратора. Чтобы второй компаратор не пропадал, я добавил
управление ШИМ сигналом. Второй компаратор работает как логический, так
что на входе ШИМ не должен быть никуда подключен или на нём должен
быть высокий логический уровень.  Обычно этот вывод можно оставить не
подключённым и драйвер будет работать без ШИМ. Но если вам нужен
дополнительный контроль, вы можете подключить Arduino или
микроконтроллер и управлять светодиодами при помощи его. При помощи
одного Arduino  можно контролировать до 6 драйверов. 

ШИМ работает в пределах текущего уровня, установленного
потенциометром. Т.е. если вы поставите минимальный ток и ШИМ на 10%, то
ток будет ещё ниже.

Источник ШИМ сигнала не ограничивается микроконтроллером. Можно
использовать все, что производит напряжение от 0 до 5В. Можете
использовать фоторезисторы, таймеры, логические микросхемы.
Максимальная частота ШИМ составляет около 2 кГц, но я думаю,  что
максимальная частота 1 кГц будет оптимальной.

ШИМ вход также может быть использован в качестве входа для пульта
дистанционного управления включения / выключения. Но схема будет
работать, когда выключатель разомкнут и выключена, когда замкнут.

Детали, плата и сборка

Сборка схемы очень проста. Все использованные детали стандартные.

Список деталей:
1х или 2х 1 Ом 1Вт — R10, R11 (зависит от необходимого тока)
1x 10 Ом — R8.
2x 1 кОм — R3, R9.
3x 4.7 кОм — R1, R4, R7.
3x 10 кОм — R2, R5, R6 (значение R2 для выходного ток 1А).
1x 10 кОм потенциометр — VR1.
1x 22 пФ — C5 (опционально).
2x 0.1 мкФ — C2, C3 (опционально).
1x 2.2 мкФ — C1.
1x 100 мкФ/35В — C4.
1x 47-100 мГн/1.2A — L1.
1x GPN (5551, 2222, 3904 и др.) – Q1.
1x GPP (5401, 2907, 3906 и др.) — Q2.
1x P-канальный MOSFET (NTD2955 или IRFU9024) — Q3.
2x 1N4148 — D1, D2.
1x SB140 — D3.
1x LM393 — IC1.

Аналоги
Индуктивность L1 может быть от 47 до 100 мГн, с током как минимум
1.2А. C1 может быть от 1 до 10 мкФ. С4 может быть до 22 мкФ, на минимум
35В постоянного тока.
Q1 и Q2 можно заменить на практически любые транзисторы общего
назначения. Q3 может быть заменен другим P-канальным MOSFET
–транзистором с током утечки более 2А, напряжением сток-исток не менее
30 В, и входным порогом ниже 4В.

Сборка
Припаяйте детали начиная с самых маленьких, в данном случае это IC1. Все
резисторы и диоды установлены вертикально. Будьте внимательны с
полярностью и цоколёвкой диодов и транзисторов. 

Я разработал одностороннюю печатную плату, которую можно изготовить дома. Gerber файлы можно скачать ниже.

Подключение светодиодов

Напряжение питания должно быть не менее 2В, в соответствии с
документацией к светодиодам. Напряжение питания белых светодиодов около
3.5В.

При максимальном напряжении питания к этому драйверу можно подключить
до 6 светодиодов, соединенных последовательно.  Лучше подключать
светодиоды так, чтобы все они получали одинаковый ток. Ниже показано
количество светодиодов и требуемое им напряжение питания.

Вы можете использовать последовательно-параллельное подключение
светодиодов для подключения большего количества светодиодов по мере
необходимости. Если у вас есть только источник питания 12В, но вы
хотите подключить 6 светодиодов, сделать две строки из 3 светодиодов
включенных последовательно и подключите их параллельно, как показано на
схеме.

Я уверен, что есть множество применений для небольшого драйвера –
фары, настольные лампы, фонари т.д.  Питать схему можно напряжением от
 5 до 24В, от этого будет зависеть количество подключаемых светодиодов.
Для питания лучше использовать батарейки.

Скачать файл печатной платы в формате Gerber

Самоделкин — Сделай сам, своими руками.

Светодиоды на современном строительном рынке занимают лидирующие позиции по продаже. Данные осветительные приборы имеют широкое применение.

Их используют в освещении:

• помещений жилых домов,
• офисов,
• автомобилей,
• прочее.

Также популярным и востребованным есть драйвер, предназначенный для питания светодиодов от электричества (переменного тока 220 В и частоты 50 Гц. Чтобы осветительные приборы (на 1 w,10 w и больше) имели хорошую яркость, не мигали во время работы и не перегорали раньше времени, для их питания нужен постоянный ток (350, 500, 700, 1000 мА).

Для этого изготавливают специальные модули. Они бывают разных типов. Драйвер может быть встроен в сам светодиодный прибор, а также подключаться отдельно. Сделать самодельный драйвер для мощного светодиода можно собственными руками. Есть устройства специального назначения, например те, которые используют в rgp пикселях. Их называют rgp led pixel. Такие схемы также можно собрать своими силами или заказать у специалистов.

Эксплуатационные характеристики драйверов для светодиода

Светодиодные осветительные приборы (на 1 w, 10 w и больше) достаточно эффективны. С их помощью можно хорошо сэкономить на электричестве. Светодиоды в 8-9 раз эффективнее, чем обычные лампы накаливания (на 1 w, 10 w и больше). В случаях, когда драйвер установлен рядом с группой светодиодных приборов, он имеет хорошие технические показатели. Прибор будет работать даже в самых жарких условиях. Он выдерживает температуру окружающей среды до 800С. Также устройство имеет различные режимы работы. С его помощью можно регулировать яркость освещения в помещении, машине, улице прочее.

Для питания светодиодной ленты часто используют диммируемый драйвер. Устройство идеально подходит для регулировки яркости осветительных приборов. Диммируемый драйвер обеспечивает настраивание выходной мощности плавно и без фликкерного шума. Собрать схему драйвера для светодиодов своими руками можно без проблем.

Схема подключения

Есть случаи, когда нет необходимости регулировать яркость осветительных приборов в помещении или другом пространстве. Тогда схема подключения драйвера достаточно проста. Светодиоды подключаются последовательно. В одной цепочке может быть от 1 до 8 штук осветительных приборов. Она подключается к одному выходу драйвера. Такая схема самая оптимальная. Любой повышающий драйвер для светодиода, будь он самодельный или нет, служит источником постоянного тока, но не напряжения. Это значит, что включать в схему специальный резистор, который будет ограничивать поступление тока, нет необходимости. На выходе драйвера устанавливается определенное напряжение (В) и мощность (Вт). Их величина зависит от количества подключенных осветительных приборов в цепочке.

Токоограничиющий резистор включается в схему, если светодиоды подключены и последовательно, и параллельно. Такие случаи бывают, когда нужно подключить более 8 осветительных приборов. Так светодиоды подсоединяют последовательно в отдельные цепи, которые связаны между собой параллельным подключением. Входное напряжение драйвера может быть в диапазоне от 2 до 18 В. А выходное – на 0,5 вольт меньше, чем изначальное. Напряжение падает на полевом транзисторе.

Важные моменты, которые стоит учитывать при выборе драйверов

Вольт – амперная характеристика у осветительных приборов, таких как светодиоды, под воздействием температуры изменяется. У разных моделей она имеет свои незначительные отличия. Стоит это учитывать при подключении схемы собственными руками. Повышающий яркость драйвер осветительных приборов должен давать постоянный ток в различных случаях. То есть его функции должны выполняться независимо от того, изменились ли характеристики светодиодов или произошел скачок входного напряжения. Любой драйвер (диммируемый, из специальным стабилизатором прочее), должен обеспечивать поступление тока к осветительному прибору согласно его эксплуатационным характеристикам.

Простыми драйверами для светодиодов (на 10 w и больше) есть такие микросхемы, как LM 317. Они имеют свои отличие от резисторов. Микросхемы данного типа надежны в эксплуатации, их производство не занимает много времени и требует больших затрат расходного материала. Но все же они имеют недостатки. Микросхемы LM 317 отличаются низким КПД. Для них характерно малое входное напряжение.

Питание светодиодов от сети 220 В с помощью шим – стабилизаторов тока более практичное в эксплуатации. Активная мощность на драйвере минимальная. Шим – стабилизатор – это электронная схема специального назначения. Ее разработали для того, чтобы производить постоянный ток для питания осветительных приборов наилучшим способом. Такие драйверы используют в rgp пикселях. Шим – стабилизаторы дают дополнительные функции в управлении. С помощью драйверов можно регулировать питание от сети 220 В, яркость и цвет rgp пикселя. Управление осуществляется с помощью, подключенных к шим – стабилизаторов, микроконтроллеров. Такие драйвера, как WS2801 или LDP8806, можно наблюдать на каждом rgp пикселе светодиодной ленты с управлением.

Так, как технологии прогрессируют стоимость мощных светодиодов (1 Вт и больше) уже достаточно доступная. Исходя из этого, приборы все чаще используют для освещения. Чтобы эффективность мощных светодиодов была высокой, их нужно правильно запитать, можно от сети 220 В. Самодельный драйвер, повышающий яркость освещения, можно собрать по простой схеме, основанной на дискретных элементах. Выходная мощность – 15 Вт, резервная – 0,5 Вт. Схема защищает от короткого замыкания.

Микросхема LM3406 представляет собой импульсный понижающий драйвер мощного светодиода.

Особенности микросхемы:

• Выходной ток до 1.5 Ампер
• Встроенный полевой транзистор, который способствует увеличению КПД и уменьшению количества внешних компонентов
• Поддерживает цифровую (ШИМ) и аналоговую регулировку яркости
• Защита от перегрева
• Может работать без конденсатора на выходе
• Широкий диапазон питающих напряжений — от 6 до 40В

Схему драйвера светодиода я взял типовую из даташита, только добавил некоторые мелочи:

• Разъем питания
• Нулевые резисторы по входу и выходу
• Светодиодный индикатор питания
• Защиту ножки обратной связи
• Диод для защиты от обрыва в цепи светодиодов

Замечу, что в даташите есть несколько схем, я выбрал схему с защитой от обрыва в нагрузке. Схема получилась вот такая:

В качестве индуктивности использовано желто-красное кольцо из распыленного железа, снятое со старой материнской платы.

Родную обмотку снимаем, наматываем новую обмотку, порядка 20 витков медным проводом диаметром 0.5 мм. Я намотал проводом от витой пары.

Либо ставим готовую индуктивность 22 мкГн, способную протащить через себя ток не менее 1А. Плата выполнена из двустороннего стеклотекстолита толщиной 1.5 мм. На обратной стороне платы оставлен слой меди для более быстрого распределения тепла по плате.

Обратная сторона платы драйвера:

На брюшке микросхемы расположен теплоотводящий контакт, который обязательно должен быть припаян к медному полигону на плате, для должного охлаждения микросхемы. При перегреве микросхемы сработает температурная защита. В совокупности с защитой от обрыва нагрузки, при правильном питании микросхемы, «убить» её практически нереально. 

Выходной ток драйвера задаётся резистором, подключенным между выводом «CS» и землёй. Ток рассчитывается по формуле:

Ток_драйвера_Ампер = 0,2 / Сопротивление_резистора_Ом

Я составил резистор из трёх параллельно соединённых резисторов по 1 Ом. Общее сопротивление получившегося резистора — примерно 0,333 Ом.

0,2 / 0,333 Ом = 0,6 А

Выходной ток драйвера равен 0,6 Ампер.

В качестве нагрузки подключим к драйверу 2 светодиода CREE XP-G, соединённых последовательно:

На вход драйвера подадим 12 Вольт

Ну и напоследок, табличка с результатами КПД:

Когда я собирал данный светодиодный драйвер 2 года назад, КПД был выше. Скорее всего, причина в использованной индуктивности. Но так как меня устраивает КПД 90%, то переделывать индуктивность не буду.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

Zlodey
Опубликована: 27.08.2014Изменена: 31.08.2014

3