Питание светодиодов. Часть 6. Драйверы и подключение светодиодов

24 января 202424 янв 2024

1634

6 мин

Оглавление

Почему именно источник тока
Почему линейный стабилизатор — это плохо, а «LM-ка» — это совсем не дёшево и не сердито.
Подключение светодиодов к драйверу

erid: 2VtzqwE1TsJ

Специализированные источники питания, LED-драйверы, предназначены для управления током через светодиоды, обеспечивая их стабильную работу и долгий срок службы. Они обычно имеют встроенные функции защиты от перегрева, короткого замыкания, перенапряжений и других аварийных ситуаций.

Почему именно источник тока

В третьей части статьи мы рассказали о том, как изменяются параметры светодиодов во время работы и в течение эксплуатации. Напомним основные положения:

- Светодиоды греются во время работы, при этом их вольт-амперная характеристика сдвигается влево — уменьшается прямое напряжение при том же токе, или наоборот, увеличивается ток через светодиод при том же напряжении питания.

- В процессе эксплуатации может изменяться прямое падение напряжения в большую или меньшую сторону в зависимости от режима работы и технологического процесса изготовления светодиодов. Это также приводит к отклонению тока при питании стабильным напряжением

Эти проблемы полностью решаются при питании постоянным стабилизированным током, потому что источник питания будет подстраивать выходное напряжение в широких пределах для обеспечения нагрузки заданным током.

Почему линейный стабилизатор — это плохо, а «LM-ка» — это совсем не дёшево и не сердито.

Несмотря на качество стабилизации, простую схемотехнику и цену линейных стабилизаторов, это решение ничем не лучше резисторов по части энергоэффективности. К тому же с помощью линейных стабилизаторов возможно только понижать напряжение, и входное напряжение всегда должно быть на 1-2 вольта больше выходного. То есть их проблематично, а иногда и невозможно использовать не только в схемах с аккумуляторным питанием, но и при питании от электросети.

Из-за того, что принцип действия линейных схем сводится к рассеиванию «лишнего» напряжения в виде тепла, то элементам для работы нужны крупные радиаторы, что ухудшает массогабаритные показатели, в некоторых случаях, размещать их просто негде.

Импульсных источники питания холоднее, легче и компактнее своих линейных и трансформаторных аналогов, потому что:

Энергия преобразуется в дросселях или трансформаторах,
Дросселями и трансформаторами управляют транзисторы, которые включают и выключают ток с высокой частотой — от десятков до сотен килогерц.

Так удается достичь КПД от 70 до 90% а иногда и более, против десятков процентов у линейных схем.

Основные очевидные недостатки — сложность и стоимость. Но современной промышленностью выпускается десятки специализированный интегральных микросхем с высокой стабильностью и простой схемотехникой с минимальным набором дополнительных компонентов, что повышает надежность и снижает конечную стоимость изделия.

Подключение светодиодов к драйверу

Есть множество вариантов подключения светодиодов, но их можно разделить на две группы:

Последовательное подключение.
Вариации матричных схем подключения или последовательно-параллельные схемы соединения.

Последовательное соединение

В общем случае, к драйверу можно подключить любое количество светодиодов. Светодиоды между собой соединяются последовательно. В такой схеме через все светодиоды протекает одинаковый ток.

Здесь светодиоды могут отличаться по номинальному прямому напряжению, быть из разных бинов или вовсе разных типов. Главное, чтобы они выдерживали ток, который выдает драйвер. То есть их номинальный ток должен быть равным току драйвера или больше, но в этом случае он не будет светиться с яркостью меньше номинальной.

Если сгорит один из светодиодов, то:

- при обрыве — все светодиоды погаснут, а драйвер уйдёт в защиту

- при замыкании — драйвер снизит напряжение.

Но учтите, если у нас драйвер выдаёт, например, 10-45 вольт, то мы не сможем подключить к нему один белый светодиод с прямым напряжением около трех вольт. К такому драйверу можно будет подключить от 4 до 15 светодиодов.

Правда, и белые светодиоды не все на 3 вольта, бывает внутри одного корпуса несколько кристаллов и прямое напряжение кратно их количеству.

Последовательно-параллельные схемы

Нельзя бесконечно наращивать количество светодиодов в последовательной схеме, рано или поздно мы упремся в напряжение питания. Если сделать драйвер, повышающий входное сетевое напряжение, то это будет небезопасно.

Поэтому можно увеличить количество светодиодов соединив параллельно несколько последовательных цепочек. тогда общее напряжение будет равно сумме напряжений последовательно соединенных светодиодов, а ток будет суммой токов всех параллельных цепочек (Iled=Iled1+Iled2+Iled3+...Iledx). Если падение напряжения светодиодов разное, то напряжение на выходе драйвера установится по наименьшему напряжению последовательной цепи, как в одном из примеров в предыдущей статье.

Схема параллельного подключения цепей из последовательно соединенных светодиодов к драйверу без резисторов

В идеальном случае ток источника питания разделится равномерно между всеми параллельными ветвями цепи. Но если параметры светодиодов немного отличаются, то токи в цепях будут разными, для уравнивания токов можно добавить балансирующие резисторы. Но тогда, как и в случае со светодиодной лентой — увеличатся потери и снизится КПД светильника.

Схема параллельного включения цепей из последовательных светодиодов с резисторами

Что произойдет при неисправностях? В обоих случаях:

При обрыве светодиода — погаснет вся последовательная цепь, остальные параллельные ветви цепи продолжат светить, но через них будет протекать повышенный ток, что сократит их срок службы. Весь светильник быстрее выйдет из строя
При замыкании — увеличится нагрузка на все светодиоды этой ветви, так как она начнет на себя брать больше тока чем остальные. Остальные ветви станут светить слабее.

Схема последовательного соединения параллельных цепочек

Можно сделать наоборот, соединить несколько светодиодов параллельно и несколько таких сегментов последовательно. Здесь напряжение на светодиодах будет зависеть от количества последовательно соединенных сегментов, а общий ток от количества светодиодов в каждом сегменте.

В случае неисправностей:

При замыкании одного светодиода погаснет весь ряд (VD1-VDn1-VDm1). Остальные продолжат светить, а драйвер снизит напряжение, чтобы ток оставался неизменным.
При обрыве одного светодиода ток распределится между двумя выжившими из этого ряда. Так как ток этих светодиодов возрастет, они станут ярче светить, но, вероятнее всего, недолго. Когда все светодиоды ряда сгорят — погаснет вся лампа.

Именно эта схема чаще всего встречается в «токовых» линейках светильников, светодиодных матрицах прожекторов и других светодиодных модулей, работающих от источников постоянного тока. Подобная же схема используется и в COB-светодиодах, где множество кристаллов расположены под общим слоем люминофора.

Заключение

Из-за нестабильности параметров светодиодов при изменениях температуры и в течение эксплуатации, нужно питать их источником постоянного тока. В случае использования токоограничивающих резисторов важно соблюдать температурный режим диодов, но даже в этом случае невозможно добиться высокой эффективности и сопоставимого с «токовыми» аналогами и срока службы.

Что касается споров, то в обществе есть два тезиса, одни говорят: «светодиоды питаются током, а не напряжением», а другие: «как возможен ток без напряжения». Оба тезиса и правильны и в корне неверны.

Видимо, утверждения о питании током поняты сторонниками неверно. Безусловно, важно обеспечить стабильную силу тока через светодиоды, но как это сделать? Либо ограничением тока, либо драйвером. Оба варианта основаны на регулировании напряжения выводах светодиода. Драйвер это делает автоматически, а во втором случае лишнее напряжение падает на резисторе и не может никак изменяться в процессе работы само собой. Согласно закону Ома, напряжение на резисторе строго зависит от протекающего тока (U=I×R)

В этом цикле статей мы допустили множество упрощений, чтобы не углубляться в дебри полупроводниковой электроники, но совсем этого избежать не получилось. Пишите в комментариях, о каких нюансах вы бы хотели узнать подробнее, а мы развернуто ответим.