Подключение мощных светодиодов

Данный материал условно разделим на 2 части: теория и практика. В первой мы расскажем о видах драйверов и принципах их работы, а в конце статьи кратко распишем, как именно подключаются к питанию мощные светодиоды.

Теория

При разработке схем включения мощных светодиодов справедливы и могут быть использованы те же методики, что и для маломощных. Но при использовании подобных схем включения возникает проблема, обусловленная тем, что для ограничения тока через светодиод используется резистор, на котором падает определенное напряжение, и соответственно выделяется тепло. При рабочих токах в 20-30 мА тепловыделение незначительно и не доставляет проблем, однако при включении мощных светодиодов с рабочим током 0,35А и выше (многие позволяют пропускать через себя ток до 3 А) возникает проблема повышенного тепловыделения. В качестве примера рассмотрим включение светодиода с рабочим током 1А и падение напряжения на переходе 3В, включенного в источник напряжения 5В. По закону Ома сопротивление токоограничивающего резистора равно 2 Ома, и соответственно при токе 1А на нем выделится 2Вт тепла. Может показаться, что это совсем немного, но учитывая современные тенденции к уменьшению размеров корпусов деталей и устройств, может оказаться, что такой резистор просто расплавит корпус устройства, после чего сгорит. КПД такой схемы получается также очень низким, что недопустимо при использовании батарейного питания.

Выходом из этой ситуации является применение импульсных стабилизаторов тока. Они имеют высокий КПД – до 90% (у некоторых типов даже выше), высокую стабильность выходного тока, отсутствие влияния изменений входного напряжения. ‘Такие источники тока (драйверы) можно разделить на две группы – это AC/DC и DC/DCпреобразователи. Вторую группу можно подразделить еще на несколько подгрупп, но об этом позже. Источники первой группы применяются для питания светодиодов от бытовой сети переменного тока 110-220В. Вторая группа применяется при питании от источников пониженного постоянного напряжения, например, аккумулятор, компьютерный БП. Основные характеристики драйверов обеих групп – это диапазон входного напряжения, диапазон выходного напряжения, мощность, ток, наличие дополнительных функций.

Рассмотрим эти характеристики по отдельности.

1. Диапазон входного напряжения. Для драйверов первой группы он обычно лежит в пределе 110 – 220В. Иногда встречаются драйверы, предназначенные для питания только от 110 или 220В. У драйверов второй группы кол-во возможных вариантов гораздо шире. Это связано с тем, что производители оптимизируют КПД в определенном диапазоне напряжений. Поэтому при выборе драйвера по этому параметру следует исходить из характеристик питающего напряжения. Также следует учитывать возможный диапазон изменений напряжения питания, т.к. например на литиевых аккумуляторах обычно указано напряжение 4,2В, но это значение полностью заряженного элемента, а при разряде оно может упасть ниже 3,5В.

2. Диапазон выходного напряжения. Этот параметр показывает в каком диапазоне драйвер может менять выходное напряжение для поддерживания рабочего тока. Обычно указывается в вольтах, но иногда можно встретить и указание того для какого кол-ва светодиодов предназначен драйвер. Эти величины несложно пересчитать друг в друга, зная характеристики светодиодов. Например, для большинства мощных светодиодов падение напряжения составляет около 3В. Т.е. если в характеристиках указан диапазон выходного напряжения 2-4В, то им можно питать только один светодиод, а если 10-24 – то от 4 до 6. На этот параметр следует обратить особое внимание, т.к. в схемах светодиоды включаются последовательно и если выбрать неправильный диапазон выходного напряжения, в лучшем случае светодиоды просто либо не будут светиться вообще, либо не на полную мощность, а в худшем выйдут из строя как светодиоды, так и сам драйвер.

3. Рабочий ток. Этот параметр показывает какой ток драйвер будет пропускать через светодиоды (в случае правильности подключения по предыдущим пунктам). Значение тока следует выбирать исходя из характеристик светодиодов, и не должно превышать максимально допустимого, т.к. это может сказаться на сроке службы светодиодов, а в отдельных случаях приведет в выходу из строя.

4. Мощность. Этот параметр указывается не всегда, т.к. драйвер выдать мощность большую, чем максимально допустимая не сможет в следствии особенности схемотехники.

5. Дополнительные функции. Сюда можно отнести регулировку выходного тока, различные защиты (от повышенного входного напряжения, перегрева). При выборе драйвера желательно выбирать модели с защитой, т.к. это прямо связано с безопасностью, особенно если драйвер находится в труднодоступном месте или рядом с горючими материалами.

Особое внимание следует уделить соотношению входного и выходного напряжений драйвера. И если для AC/DCдрайверов все понятно – там выходное напряжение всегда меньше входного, то для DC/DCвозможны различные варианты. Основываясь на этом можно выделить три группы:
1. Входное напряжение выше выходного. Такие драйверы являются понижающими, т.е стабилизация тока обеспечивается только в этом случае. При падении напряжения ниже чем необходимое для стабилизации тока перестают его стабилизировать.
2. Входное напряжение ниже выходного. В этом случае драйвер преобразует напряжение в повышенное и с помощью него обеспечивает стабилизацию тока. При использовании таких драйверов следует учитывать, что при превышении выходного напряжения входным стабилизация тока прекращается и может превысить допустимые значения.
3. Этот тип объединяет два предыдущих. Такие драйверы являются наиболее универсальными и позволяют работать в наиболее широком диапазоне напряжений, но основной сферой применения является питание светодиодов от литиевых батарей, т.к. рабочее напряжение светодиода может находится в районе 3,8В, а диапазон напряжения одного литиевого элемента в пределах 3,5 – 4,2В, т.е. когда батарея полностью заряжена напряжение необходимо понижать, а при дальнейшем разряде – повышать.

Практика

Случай №1 Подключение без драйвера

Возьмём светодиоды холодного белого свечения 3 Ватт. Вольтаж по нижней границе составляет 3,2V. Соответственно, если подключить последовательно 4 таких светодиода, то суммарное напряжение цепи будет равно 3.2*4= 12,8V , что равно бортовой сети авто (12-13V). 
Если необходимо подключить 16 светодиодов. то мы просто делаем 4 параллельные цепочки по 4 последовательных светодиода.


Случай №2 Подключение с драйвером.

Если стоит задача подключить строго определённое количество светодиодов, и набрать ими напряжение равное имеющемуся источнику  не представляется возможным, потребуется драйвер. Также драйвер целесообразно использовать, если вы хотите существенно продлить вашим светодиодам жизнь.

Итак, прежде всего, определяемся, где будут использоваться наши светодиоды. Если в машине, то нам потребуется DC/DC драйвер. Если от розетки, то AC/DC.

Подключать мощные светодиоды рекомендуется последовательно, избегая параллельного включения. Также желательно в одной цепи использовать однотипные светодиоды, а в случае невозможности следует выбирать рабочий ток цепи по наиболее маломощному светодиоду. Драйвер, как и сами светодиоды выделяют тепло, поэтому необходимо обеспечивать допустимый тепловой режим работы. Светодиоды необходимо устанавливать на радиаторы размера, соответствующего мощности (рекомендуемые размеры обычно указываются в характеристиках светодиодов), в качестве радиатора может использоваться обычная металлическая пластинка.



На рисунке приведена схема последовательного включения 12-ти трехватных светодиодов к источнику тока с характеристиками 56W, 700mA, PFC.

Данный источник тока имеет входное напряжение в диапазоне 100-240В, а выходное от 40В до 80В, мощность 56Вт и стабилизированный ток - 700мА.

Трехватный светодиод работает на напряжении 3.8В, максимальное напряжение блока на выходе - 80В. Следовательно на данный блок можно подключить максимум 21 трехватный светодиод (80В / 3.8В ~ 21шт) и минимум 11 (40В / 3.8В ~ 11шт). Если на данный блок подключить менее 11 трехватных светодиодов, то они выйдут из строя.



Подключение и установка мощного светодиода на радиатор

Таким образом, исходя из количества и мощности светодиодов, которые нам нужно подключить мы подбираем драйвер.
Ниже приведём для наглядности три примера подключения:

1) Один светодиод 3W или от 1 до 3шт по 1W можно запитать от такого драйвера
2) Светодиод 10W от такого
3) 9 светодиодов по 3 Ватт от такого

Важное замечание! При использовании драйверов стабилизаторы напряжения не требуются т.к. драйвер имеет данную функцию.

Также хотелось бы вновь обратить Ваше внимание на то, что использование драйвера позволяет не  использовать резисторы. На фотографиях ниже один и тот же драйвер запитывает 1 светодиод и 3 светодиода.