Spkb-optics.ru

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

Регулировка тока для светодиодной ленты 1

Устройство и регулировка диммируемых светодиодных лент

Создать в своем доме уникальную и неповторимую подсветку сегодня можно при помощи самых разнообразных светильников. Одним из наиболее часто используемых осветительных приборов является светодиодная лента.

Они незаменимы в декоративной подсветке самых разнообразных элементов интерьера, мебели и потолочных подвесных конструкций. Благодаря обширному перечню возможностей подобной осветительной продукции она имеет широкое распространение и очень часто встречается как в домашнем освещении, так и в подсветке различных офисов и общественных помещений. Новым уровнем использования таких светодиодных лент является их диммирование. О нем мы и поговорим более подробно.

Стабилизаторы тока на транзисторах

Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:

На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.

Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: Iэ = Uэ/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.

Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:

Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.

Например, если нужно получить ток 30 мА через 3 последовательно включенных светодиодов с прямым напряжением 3.1 В, то схему следует запитать напряжением не ниже 12 Вольт. При этом сопротивление резистора должно быть около 20 Ом, мощность рассеивания — 18 мВт. Транзистор следует подобрать с максимальным напряжением Uкэ не ниже напряжения питания, например, распространенный S9014 (n-p-n).

Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора hfe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.

Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:

Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.

Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:

При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать

23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.

Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением Uкэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).

Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).

Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:

Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/Iнагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.

Читать еще:  Расчет кабеля допустимые токи нагрузки

Достоинства схемы — ее простота. К недостатку можно записать довольно большое падение напряжения (а следовательно и мощности) на транзисторе VT1. Это не критично при небольших токах (десятки и сотни миллиампер), однако дальнейшее увеличение тока через светодиоды потребует установки этого транзистора на радиатор.

Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):

Ток через светодиоды задается подбором резистора R1. VT1 — любой маломощный. Светодиоды — Cree XM-L T6 10W (см. спецификацию) или аналогичные.

Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.

Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.

Для снижения мощности правильнее было бы оставить оба светодиода, но уменьшить ток, например, до 2А — тогда мощность упадет с 20 до 12 Вт, а срок жизни светодиодов многократно возрастет. И площадь радиатора можно будет уменьшить до 600 см 2 .

Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:

наименованиехарактеристикицена
IRF9510P-channel, 100V, 4A209 руб. / 10 шт.
IRF9Z34NP-channel, 55V, 19A124 руб. / 10 шт.
NDP6020PP-channel, 20V, 24A120 руб. / 10 шт.
Cree XM-L T610W, 3A135 руб. / шт.

Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:

Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал «земли». Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток Uси. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:

На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).

Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:

Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.

Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.

Принцип действия широтно-импульсных модуляторов

ШИМ — метод воздействия на управляемую сеть путем изменения количества мощности, подаваемой к последней. Принцип действия заключается в регулировании длительности импульсов при их постоянной частоте. Широтно-импульсная модуляция может быть двоичной, троичной, цифровой, аналоговой.

Использование ШИМ дает возможность значительного повышения КПД электропреобразователей. С применением широтно-импульсной модуляции управляются однотактные, двухтактные, полумостовые, мостовые, обратно и прямоходные импульсные преобразователи.

Например, ШИМ активно используется в производстве электроники, такой как ЖК-экраны, дисплеи телефонов и ноутбуков для регулирования яркости свечения.

Подключение к led-ленте

Несмотря на то, что для разных видов лент схемы подключения также будут разными, в любой схеме диммер с одной стороны подключается к блоку питания. Если лента монохромная, то ее подключение будет напрямую через диммер, если многоцветная, то в схеме добавится еще и контроллер – между диммером и непосредственно лентой (если только контроллер не объединен с регулятором изначально).

Читать еще:  Как отремонтировать выключатель света с регулятором

Иногда в схему включается еще и усилитель – если мощность подключаемых приборов превосходит значение мощности питающего элемента. Пример обычной схемы подключения светодиодной ленты с использованием диммера:

Преимущества и недостатки

Основным недостатком дешёвых ШИМ‑регуляторов является повышенное мерцание, особенно при маленьких уровнях яркости, когда глаз особенно чувствителен к таким колебаниям. Кроме неприятных ощущений, при длительном влиянии оно может вызывать психофизиологические воздействия в виде головных болей, повышения усталости, ухудшения внимания и остроты зрения.

Для качественного управления светодиодами промышленность сейчас выпускает специализированные микроконтроллеры. Например, микросхема LM3409, позволяет осуществлять управление в двух аналоговых и двух импульсных режимах.

Здесь надо ещё сказать, что хороший диммер должен учитывать не только характерную нелинейность полупроводникового светодиода, но и нелинейную характеристику нашего зрительного восприятия при малых уровнях яркости.

Преимущества светодиодных светильников сегодня очевидны всем. А рост производства и непрерывно снижающиеся цены дают возможность каждому оценить их в действии. Тем более что они перестают быть просто осветительными приборами, а становятся ещё и уникальными элементами декора.

Способы регулировки яркости светодиодной ленты

Самый простой способ управлять яркостью осветительного прибора – включить последовательно с ним переменный резистор. Он будет перераспределять падение напряжения между ним и лентой, тем самым регулируя ток через элементы. Этот способ дешев и прост, но на потенциометре бесполезно рассеивается большое количество мощности.

Другой метод – установка автотрансформатора со стороны 220 В блока питания. Этот трансформатор громоздок, дорог и ненадежен.

Самый распространенный способ регулирования интенсивности свечения – применение специальных приборов – диммеров. Они регулируют средний ток через светодиоды путем регулировки среднего напряжения методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Особенностью такого пути является отсутствие перераспределения мощности между ключевым элементом и нагрузкой – энергия подается дозированными порциями. Яркость усредняется за счет инерционности человеческого зрения.

Управление низковольтными лентами

Импульсное напряжение для светильников 12..36 вольт, промодулированное по ширине импульса, формируется с помощью микросхем. Для диммеров с ручным управлением применяются таймеры. Например, широко распространенная микросхема 555. С ее помощью генерируется последовательность импульсов, скважность которых можно регулировать потенциометром. Импульсы управляют мощным ключом на полевом транзисторе, который регулирует средний ток через светодиодную ленту.

Если светорегулятор предполагает более высокий уровень сервиса, регулятор среднего тока строят на микроконтроллере или специализированной микросхеме. Так выполняют устройства с дистанционным управлением или адаптивной подсветкой, изменяющейся в зависимости от окружающего освещения.

Важно! При выборе любого регулятора яркости надо обращать внимание на определяющие параметры – рабочее напряжение и максимальную нагрузочную способность диммера. Они должны соответствовать характеристикам осветительного прибора, который предполагается подключить.

Рабочее напряжение для распространенных типов осветительных устройств указано в таблице.

Тип прибораRT-5000 3528RT-5000 2×3528ULTRA-5000 5630ULTRA-5000 2×5630RS-5000 335RS-5000 2×335
Напряжение питания, В1212, 24, 3612241212, 24

Регулирование яркости лент на 220 В

В основу диммирования LED-оборудования, питающегося от сети 220 В положены те же принципы, но реализация несколько другая. В качестве управляющих ключей используются более мощные и высоковольтные элементы, включая симисторы.

Подключение такого диммера к светодиодной ленте и регулирование производится до выпрямления. Схема управления «нарезает» куски синусоиды нужной ширины, формируя среднее напряжение. Потом оно выпрямляется, фильтруется (усреднение происходит в фильтре, поэтому дополнительных мер к снижению мерцания применять не надо) и подается на LED-ленту.

Светодиодные ленты

Светодиодная лента представляет собой цепь соединённых светодиодов. Соединены они не просто так, например обычная 12V лента состоит из сегментов по 3 светодиода в каждом. Сегменты соединены между собой параллельно, то есть на каждый приходят общие 12 Вольт. Внутри сегмента светодиоды соединены последовательно, а ток на них ограничивается общим резистором (могут стоять два для более эффективного теплоотвода): Таким образом достаточно просто подать 12V от источника напряжения на ленту и она будет светиться. За простоту и удобство приходится платить эффективностью. Простая математика: три белых светодиода, каждому нужно по

Читать еще:  Подключить прожектор светодиодный 220в три провода как

3.2V, суммарно это 9.6V. Подключаем ленту к 12V и понимаем, что 2.5V у нас просто уходят в тепло на резисторах. И это в лучшем случае, если резистор подобран так, чтобы светодиод горел на полную яркость.

Подключаем к Arduino

Здесь всё очень просто: смотрите предыдущий урок по управлению нагрузкой постоянного тока. Управлять можно через реле, транзистор или твердотельное реле. Нас больше всего интересует плавное управление яркостью, поэтому продублирую схему с полевым транзистором: Конечно же, можно воспользоваться китайским мосфет-модулем! Пин VCC кстати можно не подключать, он никуда не подведён на плате.

Управление

Подключенная через транзистор лента управляется точно так же, как светодиод в предыдущей главе, то есть все примеры кода с миганием, плавным миганием и управление потенциометром подходят к этой схеме. Про RGB и адресные светодиодные ленты мы поговорим в отдельных уроках.

Питание и мощность

Светодиодная лента потребляет немаленький ток, поэтому нужно убедиться в том, что выбранный блок питания, модуль или аккумулятор справится с задачей. Но сначала обязательно прочитайте урок по закону Ома! Потребляемая мощность светодиодной ленты зависит от нескольких факторов:

  • Яркость. Максимальная мощность будет потребляться на максимальной яркости.
  • Напряжение питания (чаще всего 12V). Также бывают 5, 24 и 220V ленты.
  • Качество, тип и цвет светодиодов: одинаковые на вид светодиоды могут потреблять разный ток и светить с разной яркостью.
  • Длина ленты. Чем длиннее лента, тем больший ток она будет потреблять.
  • Плотность ленты, измеряется в количестве светодиодов на метр. Бывает от 30 до 120 штук, чем плотнее – тем больший ток будет потреблять при той же длине и ярче светить.

Лента всегда имеет характеристику мощности на погонный метр (Ватт/м), указывается именно максимальная мощность ленты при питании от номинального напряжения. Китайские ленты в основном имеют чуть меньшую фактическую мощность (в районе 80%, бывает лучше, бывает хуже). Блок питания нужно подбирать так, чтобы его мощность была больше мощности ленты, т.е. с запасом как минимум на 20%.

    Пример 1: нужно подключить 4 метра ленты с мощностью 14 Ватт на метр, лента может работать на максимальной яркости. 14*4 == 56W, с запасом 20% это будет 56*1.2

70W, ближайший блок питания в продаже будет скорее всего на 100W.

  • Пример 2: берём ту же ленту, но точно знаем, что яркость во время работы не будет больше половины. Тогда можно взять блок на 70 / 2 == 35W.
  • Важные моменты по току и подключению:

    • Подключение: допустим, у нас подключено ленты на 100W. При 12 Вольтах это будет 8 Ампер – весьма немаленький ток! Ленту нужно располагать как можно ближе к блоку питания и подключать толстыми (2.5 кв. мм и толще) проводами. Также при создании освещения есть смысл перейти на 24V ленты, потому что ток в цепи будет меньше и можно взять более тонкие провода: если бы лента из прошлого примера была 24-Вольтовой, ток был бы около 4 Ампер, что уже не так “горячо”.
    • Дублирование питания: лента сама по себе является гибкой печатной платой, то есть ток идёт по тонкому слою меди. При подключении большой длины ленты ток будет теряться на сопротивлении самой ленты, и чем дальше от точки подключения – тем слабее она будет светить. Если требуется максимальная яркость на большой длине, нужно дублировать питание от блока питания дополнительными проводами, или ставить дополнительные блоки питания вдоль ленты. Дублировать питание рекомендуется каждые 2 метра, потому что на такой длине просадка яркости становится заметной уже почти на всех лентах.
    • Охлаждение: светодиоды имеют не 100% КПД, плюс ток в них ограничивается резистором, и как результат – лента неслабо греется. Рекомендуется приклеивать яркую и мощную ленту на теплоотвод (алюминиевый профиль). Так она не будет отклеиваться и вообще проживёт гораздо дольше.
    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector