Spkb-optics.ru

СПКБ Оптик
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Источники питания постоянного тока импульсные для светодиода

Светодиод в импульсном режиме

на страницах сайта

www.electrosad.ru

В статье «ИК светодиод в предельных режимах работы» описана работа конкретной модели светодиода. Но все светодиоды способны работать в импульсном режиме. В связи с тем что статья вызвала Ваш интерес, который по не вполне понятным причинам замкнулся на описанном ИК светодиоде АЛ106, я решил написать эту статью расширив ее на применение современных мощных светодиодов.

Области применения современных мощных светодиодов

Светодиоды большой мощности выпускаются в нескольких спектральных диапазонах со все более широкой номенклатуре мощности. Они все больше применяются в нашей жизни, от различных сигнальных устройств (в том числе и в автотехнике), технических подсветок до местного освещения и освещения открытых пространств.

В этих случаях условия применения полностью соответствуют рекомендациям производителей.

Для их питания применяются специальные источники питания (драйверы), которые позволяют преобразовать напряжение питающей сети переменного тока в низкое напряжения постоянного тока.

Импульсный режим режим работы мощных светодиодов

Для некоторых применений требуется использование светодиодов в импульсном режиме. Это:

  • Стробоскопы,
  • Датчики охранных систем,
  • Специальные осветители,
  • Импульсных осветителях (вспышках).

Импульсный режим (1, 2), позволяет выделить необходимый импульсный сигнал на фоне внешних засветок. Кроме того импульсный режим позволяет светодиоду выдать большую световую мощность или световой поток, чем в непрерывном режиме при той же мощностью тепловыделения.

  1. Импульсные режимы работы источников света применяются в стробоскопических системах для подсветки при съемках и наблюдении быстрых циклических процессов.
  2. В охранных системах, для увеличения их помехозащищенности в условиях внешних засветок и увеличения дальности работы.
  3. В специальных осветителях для увеличения световой мощность на объекте наблюдаемом с помощью оптико-электронных устройств и их освещения синхронного с частотой работы съемочного оборудования (в том числе и ИК мощных осветителей).
  4. В импульсных осветителях для фотосъемки (фото вспышках) для получения многократного превышения световой мощности на снимаемом удаленном объекте.

( В фотовспышках на светодиодах работающих в импульсном режиме возможно применение применение оптического формирование светового потока на удаленном объекте )

Особенности работы светодиода в импульсном режиме

В связи с тем, что наибольшее тепловыделение на любом коммутирующем электронном приборе работающем в импульсном режиме происходит на фронтах питающего тока, для заметного выигрыша при переходе в этот режим необходимо максимально снижать время переключения.

Не все светодиоды удовлетворяют этому требованию, прежде всего потому что применяемое параллельное их соединение приводит к суммированию их и так не малой емкости. А для питания устройств с собственной большой емкостью необходимо применять специальные схемы, способные работать на высокие емкости нагрузки . Поэтому выбирая светодиод для эксперимента с повышенным током питания в импульсном режиме необходимо проверить время переключения.

При большом времени переключения падает КПД системы СД + ключ управления (может достигать 50%), получаем дополнительное тепловыделение на управляющем ключе.

для надежной работы светодиода в импульсном режиме должно выполняться соотношение :
P ср/ Q и
импульсная мощность не должна превышать допустимую среднюю для данного светодиода, умноженную на скважность импульсов.
Или
для одиночного импульса
температура перехода светодиода (к окончанию импульса тока) не должна превышать предельную, указанную для данной модели в его документации.

Применение мощного светодиода KPXX-080-5 в импульсном режиме

Рассмотрим применение мощного светодиода KPXX-080-5 (5Вт) в импульсном режиме. В паспортных характеристиках указывается, что данный светодиод работает в импульсном режиме при импульсном прямом токе 2000 мА и скважности 1/10 на частота 1 кГц. Его характеристики:

Абсолютные максимальные значения. Таблица 1.

ПараметрМаксимальное значение
Постоянный прямой ток1500 мА
Импульсный прямой ток
(Скважность Q = 1/10, частота 1 кГц)
2000 мА
Среднее значение прямого тока1500 мА
Чувствительность к электростатическому разряду±16000 В
Температура p-n перехода135°С
Температура алюминиевой печатной платы105°С
Диапазон рабочих температур-40°С / +100°С
Тепловыделение Вт6,8

Электрические характеристики (IF=1500 мА, Tj=25°C). Таблица 2.

ЦветПрямое напряжение
(В)
Динамическое сопротивление (Ом)Температурный коэффициент VF (мВ/°С)Тепловое сопротивление переход-корпус
(°С/Вт)
Световой поток
(Лм)
Доминирующая длина волны (нм) / Цветовая температура (К)
Мин.Тип.Макс.
Белый3.23.84.51.0-2103005500K
Белый теплый3.23.84.51.0-2102803300K
Синий3.23.84.51.0-21068468
Читать еще:  Выключатель света звуковой схема

Как было написано выше, одним из ограничений рабочего тока светодиода является ограничение его мощности тепловыделения на уровне — P ср и* Q , что приводит к превышению допустимой температуры перехода. Для данного светодиода в связи с его большим тепловым сопротивлением (10°С/Вт) и одновременного с ростом тока — ростом напряжения на светодиоде предельная мощность достигается уже при токе 2 А. Прирост светового потока при этом токе может достигать 30%. Но экспериментальная оптимизация режима (отбор экземпляра, подбор максимального тока при соблюдении указанных выше ограничений, усиление охлаждения с помощью дополнительного теплоотвода) может позволить поднять рабочий ток до 3А и соответственно световой поток в 2 раза.

Можно предположить, что в режиме одиночного импульса (фото-вспышка) световой поток может достигать 600 — 1000 Лм, а при принятии оговоренных выше дополнительных мер возможно и до 3000 Лм.

Предельные характеристики мощных светодиодов на начало 2010 года

Не вдаваясь в конкретные конструкции светодиодов существующих в настоящее время можно отметить:

ПараметрТип светодиодаВеличина
Тепловое сопротивлениеSST-800,5 — 0,64 °С/Вт
МощностьARPL — 30W30 W
Световой потокSST-80до 2250 Лм
ARPL — 30Wдо 1100 Лм
СветоотдачаSST-80до 100 Лм/Вт
ARPL — 30Wдо 36 Лм/Вт
Напряжение питанияARPL — 30Wдо 24 Вт

На рисунке 1 схематически изображена конструкция светодиодов SST-80 :

Необходимой принадлежностью мощных светодиодов является теплоотвод, поскольку тепловыделение достигает 40 Вт на кристалл (светодиод).

Другие характеристики светодиода приведены на рис. 2 — 5.

Заключение

Главным недостатком светодиодов является достаточно высокое падение напряжения на светодиоде, которое определяется физикой генерации света в p-n переходе любого светодиода. Для видимого света это напряжение составляет (для одного светодиода) около 3,2 — 3,8 В, и с ростом тока растет (см. рис. 3.). Это определяет высокое тепловыделение на светодиоде. Это с ростом мощности светодиода приведет к увеличению размера светильника.

Например — при мощности тепловыделения 10 Вт для отвода выделяемого тепла требуется порядка 200 см 2 площади теплоотвода, при естественном охлаждении.

Применение низкого напряжения и достаточно большого тока для питания мощного светодиода требует применение специального источника питания который еще увеличивает размеры осветительного устройства с применением мощного светодиода и одновременно снижает его КПД. И увеличивает тепловыделение.

Основные требования к источнику питания для светодиодов

Основные качества, которым должен отвечать источник питания для светодиодов следующие:

  • надежность;
  • энергоэффективность;
  • электромагнитная совместимость;
  • электробезопасность.

Светодиоды являются надежными приборами. Их разработчики заявляют, что срок службы светодиодов не менее 50000 часов. Следовательно, и срок службы блоков питания светодиодов должен быть на соответствующей высоте.

Использование светодиодов связано с внедрением энергосберегающих технологий. Для того чтобы общая эффективность светодиодной системы освещения не снизилась, и источники питания должны иметь достаточно высокий кпд.

В светодиодном светильнике единственным источником электромагнитных помех является блок питания. Поэтому от его характеристик зависит общая электромагнитная совместимость светодиодного светильника.

В светодиодной системе освещения единственным элементом, к которому подводится сетевое напряжение в 220В, является блок питания. Поэтому электробезопасность системы целиком зависит от его конструкции.

Различные блоки питания для светодиодов

Кроме того, поведение блока питания для светодиодных светильников влияет и на их светотехнические характеристики. Эти характеристики зависят, в частности, от того, какой ток будет протекать через светодиод. Если этот ток будет изменяться во времени или пульсировать, то и качество освещения будет невысоким.

Пример построения источника питания
для светодиодных светильников общего назначения

Рассмотрим источник питания для уличного светодиодного светильника на примере проекта PMP3976. Принципиальная схема источника приведена на рисунке 2.

Рис. 2. Электрическая схема источника питания для уличного светодиодного светильника

Читать еще:  Legrand valena выключатель одноклавишный с подсветкой слоновая кость

Как следует из названия, этот источник питания предназначен для применения в составе уличного светильника. Его максимальная выходная мощность около 80 Вт. Он вырабатывает стабильный выходной ток 350 мА и питается от сети переменного тока с номинальным напряжением 220 В. Как видно из схемы, это импульсный преобразователь напряжения, он построен по топологии SEPIC и, следовательно, не имеет гальванической изоляции между входом и выходом. Это вполне допустимо для уличных светильников, но требует исключительной осторожности при лабораторных испытаниях. Несмотря на очевидную простоту схемы, данный источник содержит корректор коэффициента мощности. Его работа видна на рисунке 3, где представлены следующие эпюры: входное синусоидальное напряжение питания источника и почти синусоидальный потребляемый ток.

Рис. 3. Входное напряжение и потребляемый ток

Как видно из рисунка, форма тока несколько отличается от идеальной синусоиды, поэтому коэффициент мощности меньше единицы, что, впрочем, характерно для любого реального корректора коэффициента мощности. В таблице 1 приведены результаты лабораторных испытаний, которые проводились в диапазоне входных напряжений и при фиксированной нагрузке.

Таблица 1. Результаты лабораторных исследований

Ток нагрузки, А Выходное напряжение, В Входное напряжение, В Коэффициент мощности, КПД, %
0,349245,5150,40,98389,7
0,349245,5202,60,97991,3
0,350245,5248,40,96989,4
0,350245,5265,70,96288,9

Из этих измерений следует, что коэффициент мощности всегда выше 90% и, следовательно, удовлетворяет самым строгим европейским требованиям. При этом КПД преобразователя в целом невелик и колеблется около 90%. Это обусловлено применением относительно малогабаритного импульсного трансформатора, который работает в тяжелом температурном режиме и рассеивает значительную мощность. Это видно на приведенной ниже термофотографии действующей платы макета преобразователя (рис. 4).

Рис. 4. Термофотография действующего макета источника питания

Если позволяют требования к размеру преобразователя, то для облегчения температурного режима источника и повышения его КПД можно применить импульсный трансформатор большего габарита.

Внешний вид источника приведен на рисунке 5.

Рис. 5. Внешний вид источника питания

Как уже упоминалось ранее, этот источник построен с применением корректора коэффициента мощности. Поэтому после выпрямительного моста не установлен электролитический конденсатор большой емкости. Фильтрация помех с удвоенной частотой сети происходит во вторичной цепи благодаря конденсатору преобразователя с относительно большой емкостью, подключенному непосредственно к выходу. Этот конденсатор хорошо виден на фотографии макета преобразователя. Габариты и емкость этого элемента достаточно велики, что снижает удельную нагрузку на него. Как видно на термофотографии, он практически не рассеивает активной мощности, что продлевает его срок службы.

Такой способ фильтрации не является идеальным и на выходе устройства присутствуют пульсации тока с удвоенной частотой сети, что видно на рисунке 6.

Рис. 6. Пульсации выходного тока

Величина этих пульсаций составляет около ±8% от постоянной составляющей выходного тока, что следует признать приемлемым значением для большинства применений.

Дополнительно отметим, что данный источник оборудован схемой защиты, построенной на транзисторах Q1 и Q2. Эта схема распознает повышенное напряжение на выходе преобразователя, которое может возникнуть, например, при обрыве или отключении нагрузки. Далее происходит принудительное выключение преобразователя и его последующий перезапуск. Поскольку перезапуск преобразователя происходит достаточно медленно и занимает несколько секунд, у выходного конденсатора есть время, чтобы частично разрядиться через резистивную нагрузку холостого хода.

Почему «слабое звено»?

Электронные компоненты БП работают под напряжением до 242 В переменного тока. При авариях на сетях электропитания напряжение может кратковременно возрастать до 456 В переменного тока. Удары молнии, коммутация мощного электрооборудования и некоторые другие факторы приводят к возникновению импульсных помех с амплитудой до 4000 В. Поэтому к качеству электронных компонентов БП предъявляются особые требования.

Срок службы светодиодов зависит от того, сколько времени они светили. В отличие от этого, срок службы БП связан не только со временем работы, но и со временем хранения. То есть, если вы не включали светильник, а только его хранили на складе, то через некоторое время его БП все равно выйдет из строя. Это связано с особенностями электролитических конденсаторов, используемых в БП — они постепенно деградируют из-за испарения электролита. В среднем электролитический конденсатор можно использовать на протяжении не более 10 лет с момента выпуска. В неправильно спроектированном БП электролитический конденсатор перегревается, что сокращает его срок службы. В некоторых современных дорогостоящих БП проблема решена полной заменой электролитических конденсаторов на керамические, которые являются практически «вечными» электронными компонентами.

Читать еще:  Телевизионный кабель проводит ток

Развиваем тему

Питание мощных светодиодов осуществляется с применением стабилизаторов тока – драйверов. Они могут быть выполнены как на основе дискретных компонентов, так и с применением специализированных микросхем. Драйвер можно приобрести в готовом виде, а можно изготовить своими руками – это не сложно, учитывая, что схем и рекомендаций в интернете с избытком.

Еще один важный момент организации питания полупроводниковых источников света: при объединении светодиодов в группы, рекомендуется их последовательное соединение. Это обусловлено тем, что падение напряжения на p-n-переходе имеет определенный разброс от прибора к прибору, и при параллельном включении токи через них будут отличаться.

Питание светодиодов от 220 В сети , организуется с помощью так называемых сетевых драйверов. По сути, это импульсные источники питания для светодиодов, они преобразуют сетевое напряжение в стабильный постоянный ток. Изготавливать такой источник своими руками – довольно сложно, если вы не специалист в этой области, а учитывая широкую номенклатуру, представленную на современном рынке еще и нецелесообразно.

Блок питания для LED ленты из зарядного от ноутбука

Блоки питания от ноутбуков, мониторов и другой бытовой и компьютерной техники имеют напряжение от 12 до 19 и более Вольт. Если напряжение 12В – отлично, это идеально для светодиодной ленты. Но как изменить выходное напряжение, если оно не подходит под ваши нужды?

Вот такой регулируемый импульсный понижающий преобразователь напряжения выполнен на довольно старой надёжной и популярной микросхеме – LM2596. Модель, которая изображена на фото, имеет регулировку напряжения и тока, что позволяет его использовать как драйвер для мощных светодиодов, обеспечивающий очень качественное питание.

На фотографии видно в обозначении сокращение ADJ (adjustable) – что говорит о том, что это регулируемая модель. В продаже есть готовые схемы и отдельные ИМС для работы с фиксированным выходным напряжением, а именно: 3В, 5В и 12В. В вариантах на ток 2 и 3 Ампера каждая, имеют немного упрощённую схему.

Назначение элементов описано здесь, разница лишь в том, что на схеме выше отсутствует стабилизация тока и нет регулировки напряжения, как в предыдущем фото.

Понижающие преобразователи напряжения на LM2596 довольно популярны. Найти их можно в магазинах радиодеталей, но на Aliexpress можно купить в разы дешевле.

Схема их подключения проста, входные и выходные контакты подписаны, некоторые платы поставляются с запаянными зажимными клеммами. Подключите его к готовому БП на более высокое напряжение (от ноутбука, например) и блок питания для светодиодных ламп готов.

Такой вариант подходит для начинающих, если вы не хотите влезать в схему с паяльником или нет возможности добраться до элементов блока для модификации схемы (в случае трудно разбираемого корпуса и когда детали залиты компаундом).

Особенности при выборе модуля питания DC-DC

Что важно знать и помнить при выборе регулируемого преобразователя?

Внутри это самый обычный инвертор, со всеми их тонкостями и нюансами, они также бывают понижающие, повышающие, универсальные, но первые встречаются гораздо чаще.

Надо помнить, что понижающим необходим запас по входному напряжению около 4-5 Вольт, повышающие и универсальные могут отдать полную мощность только при входном напряжении не ниже определенного предела.

На этом все, дальше выбираем подходящую модель и помним, что «кормить» ваши устройства лучше хорошей «пищей».

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector